逆變焊機焊機結(jié)構(gòu)設計

逆變焊割設備由逆變電源與外接設備組成。其中逆變電源是逆變焊割設備的核心，其工作過程為：工頻交流－直流－高頻交流－變壓－直流，是將三相或單相50Hz工頻交流電整流、濾波后得到一個較平滑的直流電，由IGBT或場效應管組成的逆變電路將該直流電變?yōu)?5～100kHz 的交流電，經(jīng)中頻主變壓器降壓后，再次整流濾波獲得平穩(wěn)的直流輸出焊接電流（或再次逆變輸出所需頻率的交流電）。逆變焊割設備的控制電路由給定電路和驅(qū)動電路等組成，通過對電壓、電流信號的回饋進行處理，實現(xiàn)整機循環(huán)控制，采用脈寬調(diào)制PWM 為核心的控制技術(shù)，從而獲得快速脈寬調(diào)制的恒流特性和優(yōu)異的焊割工藝效果。

由于逆變工作頻率很高，所以主變壓器的鐵心截面積和線圈匝數(shù)大大減少，因此，逆變焊機可以在很大程度上節(jié)省金屬材料，減少外形尺寸及重量，大大減少電能損耗，更重要的是，逆變焊機能夠在微秒級的時間內(nèi)對輸出電流進行調(diào)整，所以就能實現(xiàn)焊接過程所要求的理想控制過程，獲得滿意的焊接效果。

2013年9月18日在中國上海，全球最大的焊接及切割設備、系統(tǒng)和材料的制造商與供應商——伊薩公司，伊薩擁有100多年的歷史, 是全球最大的焊接與切割設備及材料制造的的領軍企業(yè)之一。

在9月24日位于江蘇張家港的伊薩中國工藝中心舉辦了"2013年伊薩設備日"活動。全方位展示在焊接與切割領域的創(chuàng)新逆變技術(shù)；在新品發(fā)布環(huán)節(jié)，伊薩介紹了兩種采用逆變技術(shù)的焊接設備新品：輕便的多功能逆變焊機Aristo?Mig 4004i Pulse以及功能強大，使用靈活的Buddy? Mig 系列逆變焊機。

逆變焊機發(fā)展經(jīng)歷

我國逆變焊機的研究開發(fā)起步于 20世紀 70年代末期，于20世紀 80年代開始發(fā)展。1982年，成都電焊機研究所開始了對晶閘管逆變式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我國第一臺商品化的 ZX7-250 晶閘管逆變式焊割設備，并通過了該項目的部級鑒定。隨后，清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學等單位相繼推出了采用各種開關(guān)元件的逆變式焊機。我國逆變焊機已形成三代產(chǎn)品，現(xiàn)正向第四代新興數(shù)字化逆變焊機邁進。第一代為晶閘管逆變焊機，其逆變頻率為2～3kHz。第二代是大功率晶體管逆變焊機，逆變頻率近 20kHz?！?】

20世紀90年代初，多個規(guī)格的第一、第二、第三代的弧焊逆變器已在多所高校和研究所研究成功，并逐漸進入小批量生產(chǎn)，但大批量生產(chǎn)和大面積推廣應用逆變式焊機卻比較緩慢，主要原因在于：產(chǎn)品的可靠性差，返修率高；產(chǎn)品推出初期市場認知度較低；此外，當時半導體功率器件等原材料單價高造成生產(chǎn)成本偏高，導致其市場銷售價格比傳統(tǒng)焊機高。當時逆變焊機的可靠性差主要原因在于，逆變焊機是大功率電子產(chǎn)品，產(chǎn)品使用的電子元器件較多，相比一般的工業(yè)設備，要適應更加惡劣的工作環(huán)境，如高溫、高濕度、高粉塵、電壓不穩(wěn)、強電磁干擾等，要保證、提高產(chǎn)品可靠性，則產(chǎn)品必須具備大規(guī)模、長時間應用經(jīng)驗，而當時的廠家規(guī)模普遍較小、投產(chǎn)時間短，未形成規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品在實際用中的信息反饋有限。

21 世紀以來，國內(nèi)的行業(yè)領先企業(yè)進行了大量試驗及長時間的實踐應用，

經(jīng)反復改進和完善，積累了大量產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)經(jīng)驗，對決定著逆變焊機可靠性的關(guān)鍵因素主電路和產(chǎn)品整體設計逐步趨于合理，技術(shù)趨于成熟，實現(xiàn)了產(chǎn)品參數(shù)較優(yōu)匹配，基本解決了逆變焊機可靠性問題。逆變焊割設備生產(chǎn)成本及售價均有所下降，性價比優(yōu)勢顯現(xiàn)，呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，其應用范圍越來越廣，比重越來越高。我國逆變弧焊設備技術(shù)已逐步趨于成熟，產(chǎn)品品種規(guī)格呈多樣化，產(chǎn)品價格在國際市場上有較大競爭優(yōu)勢，但在產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品功能多樣化方面與全球領先企業(yè)仍存在一定差距。我國逆變焊割設備產(chǎn)量每年以大約 20%的速度增長，其發(fā)展速度大大高于傳統(tǒng)焊割設備，替代傳統(tǒng)焊割設備的趨勢明顯。歐美等發(fā)達國家逆變焊割設備的比重約為 60%～70%，當前我國逆變焊割設備的使用比重約為28%，尚有巨大的上升空間。

逆變焊機發(fā)展趨勢

當前，15～100kHz 的逆變焊割技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品的質(zhì)量較高，已形成系列化產(chǎn)品。未來逆變焊割設備的總體發(fā)展趨勢是向著自動化、高效率、智能化、模塊化、輕量化發(fā)展，并以提高性能、可靠性及拓寬用途為核心，廣泛應用于各種焊接、切割等工藝中。逆變焊割技術(shù)的未來發(fā)展趨勢有：

a. 產(chǎn)品設計往標準化、模塊化、平臺化方向發(fā)展，降低技術(shù)開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)周期。

b. 研制專用、成套逆變焊割設備，為汽車總裝、集裝箱焊接、船舶制造等特定行業(yè)用戶提供專業(yè)、高效的焊割解決方案。

c. 通過提高頻率、采用高性能磁體、降低主要器件的功耗、優(yōu)化結(jié)構(gòu)等，使逆變焊割設備進一步小型化、集約化。

d. 研制和生產(chǎn)數(shù)字控制的逆變焊割設備，提高設備的焊接精度、可靠性和一致性。

逆變過程需要大功率電子開關(guān)器件， 采用絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關(guān)器件的的逆變焊機稱為IGBT逆變焊機。焊接時電路是閉合的，正是因為電路是閉合的才使得在整個閉合電路的電流處處相等；由于各處的電阻是不一樣的，特別是在不固定接觸處的電阻最大，這個電阻在物理學上稱為接觸電阻。根據(jù)電流的熱效應定律(也叫焦爾定律)，Q=I²Rt可知，電流相等，則電阻越大的部位發(fā)熱越高，電焊在焊接時焊條的觸頭與被焊接的金屬體的接觸處的接觸電阻最大，則在這個部位產(chǎn)生的熱量自然也就最多，焊條又是熔點較低的合金，很快被熔化，熔化后的合金焊條芯沾合在被焊物體上后經(jīng)過冷卻，就把焊接對象粘合在一塊了。

由于逆變焊機是一典型的開關(guān)電源（輸出特性又有很大特點），輸出功率大，工作環(huán)境變化大，所以要求元器件質(zhì)量要好，這樣才能保證工作的穩(wěn)定型，壽命長。

逆變焊機優(yōu)點

①體積小、重量輕，節(jié)約制造材料，攜帶、移動方便。

弧焊逆變器的基本特點是工作頻率高，由此而帶來很多優(yōu)點。這是因為變壓器，無論是原繞組還是副繞組，其電勢E與電流的頻率f、磁通密度B、鐵芯截面積S及繞組的匝數(shù)W有如下關(guān)系：

E=4.44fBSW

而繞組的端電壓U近似地等于E，即：

U≈E=4.44fBSW

當U、B確定后，若提高f，則S減小，W減少，因此，變壓器的重量和體積就可以大大減小。

由于逆變焊割設備中的逆變頻率遠遠高于工頻（是工頻的300～2000倍），因此，其變壓器的體積和重量會大大減小。同理，工作頻率大幅度提高，電抗器的體積和重量也會大幅度減小。

變壓器和電抗器體積、重量的大幅度減小，使逆變焊割設備本身的體積和重量大幅度減小，重量僅為傳統(tǒng)焊機的 1/10～1/5，方便生產(chǎn)、運輸和使用，并能在焊割設備制造中大量節(jié)約金屬材料（主要為銅、硅鋼片、鋁等）的耗用。

②節(jié)能、高效

逆變焊割設備變壓器和電抗器的體積和重量大大減小，相應的功率損耗(主要為鐵心磁損耗和導線耗能)也隨之大幅減小，其有效功率輸出可達到 82%～93%。而傳統(tǒng)焊割設備的有效功率輸出只有 40%～60%，嚴重浪費電力資源。

③動特性好、控制靈活

逆變焊割設備采用電子驅(qū)動半導體功率器件，可以在微秒級的時間范圍精確控制電流的大小，控制精度的提高大幅提升了焊割精度，可以滿足各種弧焊方法的需要。 傳統(tǒng)焊割設備的焊接電流只能通過手動調(diào)節(jié)變壓器的抽頭和鐵芯進行粗略調(diào)整，導致電弧穩(wěn)定性較差，無法對焊接過程進行準確控制，對焊縫成形、飛濺量的控制較差，難以滿足制造業(yè)焊接精細化要求。

④輸出電壓、電流的穩(wěn)定性好

逆變焊割設備抗干擾能力強，不易受電網(wǎng)電壓波動和溫度變化的影響。傳統(tǒng)焊割設備采用交流電源，由于電流和電壓方向頻繁改變，每秒鐘電弧要熄滅和重新引燃100～120次，電弧不能連續(xù)穩(wěn)定燃燒，使得工件加熱時間較長，降低了焊縫的的強度，難以滿足高質(zhì)量焊接的要求。

逆變焊機缺點

逆變焊割設備缺點主要為涉及的電子元器件較多，結(jié)構(gòu)復雜，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的調(diào)試、檢測、參數(shù)設定難度較大。

逆變焊機設備對比

逆變焊割設備與傳統(tǒng)焊割設備相關(guān)指標對照如下：

以工業(yè)生產(chǎn)中常用的 400A手工焊機進行比較，傳統(tǒng)交流焊機與逆變焊機的具體數(shù)據(jù)如下表：

備注：年耗電量按每年工作 245天，每天工作 8小時（負載持續(xù)率60%，負載 4.8小時，

空載 3.2小時）計算；電費按0.79元/度計算。

經(jīng)測算，以300A/30V焊機為例，一臺逆變焊機每年可節(jié)電6075.9度，節(jié)約電費4800元。

歐美等發(fā)達國家逆變焊割設備占整個電弧焊比重約為 60%～70%，而我國這一比重只有28%左右，適應國家節(jié)能減排要求，全面推廣使用逆變焊割設備，到 2015 年如將逆變焊割設備的使用比重從 2009 年的 28%提高到 50%，按國內(nèi)電弧焊機容量 500 萬臺、設備利用率 60%保守推算,每年將在全國范圍內(nèi)節(jié)

約工業(yè)用電 70 億千瓦時（僅按替代傳統(tǒng)焊割設備產(chǎn)生的節(jié)能效應計算，未考慮焊割設備市場容量未來增長情況），相當于兩座百萬千瓦裝機容量火電廠全年發(fā)電量，可減少280萬噸標準煤消耗和 700萬噸二氧化碳排放，并可為國家節(jié)約銅材約4.5萬噸、鋼材約 2.8萬噸。

暫載率高-適合長期使用

允許的電壓波動范圍大：342V~482V

發(fā)電機兼容-適合施工現(xiàn)場使用

待機功能-節(jié)能

預存的優(yōu)化曲線確保不同的母材、焊材和保護氣體組合下最優(yōu)化的參數(shù)設置

存儲器可儲存10組（U6）或255組（U8₂）的焊接參數(shù)

自定義優(yōu)化曲線（U8₂ Plus）

SuperPulse 可精確控制焊接熱輸入量（U8₂）

QSet-智能焊接系統(tǒng)

慢啟動、預送氣和熱啟動 使起弧更順暢且飛濺小

弧坑填充、可調(diào)回燒時間和滯后停氣讓手弧更平滑，延長導電嘴壽命并保證收弧點無裂紋

TrueArcVoltage (僅與PSF焊槍使用時有效)，無論多長的連接電源、回流電纜或焊槍，均能測量出正確的電弧電壓值。

電焊機工藝裝備完成焊接操作的輔助設備，包括保證焊件尺寸、防止焊接變形的焊接夾具;焊接小型工件用的焊接工作臺；將工件回轉(zhuǎn)或傾斜，使焊件接頭處于水平或船形位置的焊接變位機;將工件繞水平軸翻轉(zhuǎn)的焊接翻轉(zhuǎn)機；將焊件繞垂直軸作水平回轉(zhuǎn)的焊接回轉(zhuǎn)臺;帶動圓筒形或錐形工件旋轉(zhuǎn)的焊接滾輪架；以及焊接大型工件時，帶動操作者升降的焊工升降臺。

電焊機輔助器具包括防止操作人員被焊接電弧產(chǎn)生的紫外線、紅外線或其他射線傷害眼睛、面部和頸部的面罩，焊接工作服、焊工手套和護腳等。

逆變直流手工弧焊機、逆變半自動氣體保護焊機主要用于低碳鋼、中碳鋼及合金鋼等多種金屬焊接。逆變氬弧焊機主要用于不銹鋼、鋁、鈦、鋯等的焊接，特別是不銹鋼薄板焊接。

逆變空氣等離子切割機用于切割碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁、銅等多種金屬。該產(chǎn)品可以切割絕大多數(shù)金屬和非金屬，因等離子弧能量集中，割件的熱影響區(qū)小，具有切割速度快、切割面光潔、熱變形小、切割成本低等特點。

焊接小車是根據(jù)不同客戶工件特點專門設計的包括焊機、工裝在內(nèi)的一整套設備，通過控制焊接小車實現(xiàn)自動焊接。一臺自動焊接小車的焊接效率是人工焊接的 2 至 3 倍,一個操作工可以同時看管兩至三臺焊接小車，大大降低焊接人員工作強度，減少對高焊接技能人員的依賴，大幅提高了工作效率和焊接質(zhì)量。

以上產(chǎn)品廣泛應用于建筑、機械制造、造船、鋼結(jié)構(gòu)、車輛制造、電建、管道、化建、鍋爐、橋梁等行業(yè)的焊接及切割。

焊機技術(shù)參數(shù)：

高效MIG/MAG焊接

先進MMA焊接

典型應用行業(yè)

-一般工業(yè)制造

- 能源

- 風電場

- 卡車、汽車和拖車

- 火車和鐵路車廂

- 挖掘和采礦設備

- 工程機械

- 型鋼

- 造船/海工

逆變焊機維修方法

1. 電阻法：就是利用萬用表測量電路中各個器件的電阻值。檢查電路中是否短路，開路。如，電阻是否有變值損壞的，電容失容，晶體管損壞，短路或開路等。這種方法最為簡單，也最常用，適用于電阻、電容、電感、晶體管、集成電路等的初步故障判斷。

2. 電壓法：就是在電路加電的狀態(tài)下，測量電路各個工作點的工作電壓是否正常。這種方法需要對電路比較熟悉。但是其測量判斷結(jié)果會比較準確。

3. 替換法：就是將電路中一些無法確定是否正常的元器件，用好的元器件將其替換，以此來判斷和排除故障的方法。這種方法一般用于大致確定故障部位，它一般作為電阻法的后續(xù)判斷方法。

4. 波形判斷法：在有條件的情況下，可以借助示波器等儀器，觀察各個工作點的工作波形，從波形上分析電路的故障部位。這個是最直觀的故障分析方法，用于分析一些疑難雜癥。

逆變焊機故障處理

1.開機保護

原因分析，造成故障的原因有以下幾個：

A、場管損壞，為過流保護。B、二次整流管損壞，為過流保護。C、中頻變壓器損壞，為過流保護。D、溫控開關(guān)損壞，為錯誤保護。E、控制板保護電路損壞，為錯誤保護。

當焊機保護電路不工作時，焊機出現(xiàn)過流時，會造成炸機。在維修時一定要特別注意保護電路是否正常。

故障處理：對于場管和二次整流管的損壞，一般用電阻法測量場管的電阻，以判斷是否有短路或場管和二次整流管電阻有異常。在判斷中頻變壓器是否損壞，一般是拔去變壓器插頭看焊機是否還出現(xiàn)保護故障，如果拔去中頻變壓器，就不出現(xiàn)保護故障，就可以大致確定是否是中頻變壓器損壞了，不過判斷這個故障的前提是二次整流管沒有損壞，還有焊機輸出沒有短路。

判斷溫控開關(guān)的故障，只要短接控制板上的溫控開關(guān)的連接線，如果故障消失，那就是溫控開關(guān)引起的故障。保護電路的故障，排除其他故障的情況下，故障還是沒有消失，保護燈還是亮著的情況下，我們就可以確定是保護電路出現(xiàn)了故障。排除這個故障一般也是用電阻法，用來測量保護電路的元器件是否正常。以此來修復故障。

2.無輸出

原因分析，主要有以下幾點：

A、底板（電源板）供電問題，沒有300伏直流輸出。B、輔助電源損壞。C、沒有驅(qū)動脈沖。D、出現(xiàn)了故障保護。E、焊機內(nèi)部連接線有脫落。

故障處理：底板（電源板）故障一般是由一些器件損壞引起的，比如，主繼電器、輔助繼電器、熱敏電阻等。檢查方法一般用電阻法和替換法。輔助電源損壞，也可以用電阻法和替換法，以此來測量輔助電源中的元器件有沒有損壞，有條件可以使用波形法觀測輔助電源的工作波形，看是否存在隱藏故障。在排除以上故障后就可以判斷是否出現(xiàn)沒有驅(qū)動脈沖的故障，其中涉及了是否出現(xiàn)保護，在一些焊機中，還有槍開關(guān)電路，它的工作異常也會出現(xiàn)沒有輸出脈沖。對于這個問題一般要借助于示波器，觀測驅(qū)動脈沖的情況。在這個故障中我們也可以使用電壓法，檢查焊機各個部分的供電情況，以幫助排除故障。

我國焊接行業(yè)還處于成長期，企業(yè)數(shù)量較多，但企業(yè)資質(zhì)良莠不齊，企業(yè)規(guī)模差距較大。絕大多數(shù)的小規(guī)模焊接企業(yè)停留在仿制等較低層次的競爭上，僅為數(shù)不多的企業(yè)真正掌握核心技術(shù)，在市場競爭中脫穎而出。焊割設備的工藝技術(shù)及產(chǎn)品設計門檻較高，掌握核心技術(shù)并實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)只有唐山松下、瑞凌、奧太、佳士、北京時代等少數(shù)幾家，這些企業(yè)在業(yè)內(nèi)已確立了較高聲譽，其發(fā)展速度大大高于行業(yè)平均水平，隨著市場拓展深入，品牌影響力持續(xù)提高，市場份額將逐步向優(yōu)勢企業(yè)集中，行業(yè)競爭將趨于充分。

近幾年， 生產(chǎn)焊割設備的外資企業(yè)逐步進入我國。這些企業(yè)主要是來自日本、美國、歐洲、韓國等國家和中國臺灣地區(qū)的制造商，如日本松下、美國的林肯和米勒、瑞典的伊薩（ESAB)。外資企業(yè)產(chǎn)品主要應用于核電、大型電站、高鐵等少數(shù)高端焊接領域，而國產(chǎn)焊割設備主要應用于建筑、機械制造、造船、鋼結(jié)構(gòu)、車輛制造、電建、管道、化建、鍋爐、橋梁、民用等廣大領域。