鸿栢科技：简述国产高频逆变螺柱焊机及其技术性能

摘要：应用高频逆变技术、全桥软开关技术和DSP数字控制技术生产的高频逆变长、短周期电弧式螺柱焊机的基本原理、技术性能；高频逆变螺柱焊机与工频螺柱焊机相比的技术优势，及其高频逆变螺柱焊机所具有的市场前景。

关键词：高频逆变螺柱焊；电弧式螺柱焊；储能式螺柱焊；螺柱焊接机；螺柱焊机

螺柱焊接机是一种将螺柱通过焊枪，直接焊接在母材上的一种焊接设备，是机械制造、五金、建筑等行业最常用的工具。使用螺柱焊机焊接螺柱，在接过程中，不需要填充料，焊接直径较小的焊钉时，也不需要任何保护，是一种焊接工艺简单，焊接牢固度好，成本低，效率高的焊接方式。这种焊接方式最早流行于欧美，近些年才开始在我国推广，而且使用还不够广泛。但随着我国螺柱焊机制造水平的不断提高，以及螺柱焊机使用效果逐渐被更多的人所认识，螺柱焊机必将在我国得到广泛使用。

螺柱焊机分二大类，第一类是电容储能螺柱焊机。电容储能螺柱焊机顾名思义，就是依靠电容器将能量储存起来，由控制系统控制电容放电，达到将螺柱焊接牢固的目的。电容储能螺柱焊机具有设备构造简单、耗电量小、焊接时间短、操作方便、在焊接薄板时不宜变形等优点，是五金机箱机柜等制造行业常用的工具。第二类是长、短周期电弧式螺柱焊机。长周期电弧式螺柱焊机是指焊接时间一般在300-2000 mS之间的螺柱焊机；这种螺柱焊机一般功率较大，焊接螺柱直径较大，是机械制造、建筑、钢构等行业常用的工具。短周期电弧式螺柱焊机是指焊接时间在焊接时间一般在5-200mS之间的螺柱焊机。这种螺柱焊机焊接螺柱直径较小，控制精度要求较高，是汽车、造船和五金行业必备的焊接工具。

长期以来，我国的电容储能螺柱焊机的技术比较成熟，而电弧式螺柱焊机的主流技术仍然是采用五十赫兹的工频变压器；长周期的机器体积大、分量重、耗能高、施工操作现场移动不便；在短周期焊接时，机器控制精度差、能耗高、焊接质量不稳定、薄板容易焊穿。许多对焊接质量要求较高的企业，这类螺柱焊机仍然依靠进口。

为改变这种局面，中国焊接界同仁屡败屡战，经过十几年的努力，终于研制成功了高频逆变电弧式螺柱焊机，其焊接电流最大可达2500A；可焊接直径在8mm-25mm以内的螺柱（栓钉）。高频逆变螺柱焊机也分为短周期和长周期两种，无论是长周期还是短周期，高频逆变螺柱焊机都采用了IGBT逆变技术，全桥软开关技术和DSP数字控制技术，具有变压器体积小、整机分量轻、耗电量少、控制精度高、焊接质量稳定等特点。其中高频逆变短周期螺柱焊机整机重量在60KG以内；高频逆变长周期螺柱焊机整机重量在150KG以内。

高频逆变螺柱焊机的总体构如图1所示，由电磁兼容滤波电路1、三相整流桥2、软启动电路3、平滑滤波电路4、IGBT隔离驱动电路5、桥路开关电路6、高频变压器7、高频整流滤波电路8、辅助电源9、控制电源10、焊枪11、DSP控制器12、人机界面即LCD显示屏13、485通讯接口14、螺柱自动送料机15，共十五个部分组成。高频逆变螺柱焊机原理如图2，其工作原理如下：

三相交流电经过电磁兼容电路、利用电容CA、CB、CC、；电感L1-1、L1-2、L1-2来吸收抑制三相交流母线上的电压尖峰，同时也防止本机高频逆变所产生的电压尖峰漏散到电源网络中产生高频污染。然后经三相整流桥模块把380V的三相交流电转变为520V的直流电向高频逆变器提供电能。软启动电路将直流母线上的直流电首先对滤波电容C2进行充电，至到电容器两端的电压被充到母线电压的80%左右时，延时打开可控硅向高频逆变桥路供电，这样可以减少对电容C1、IGBT（Q1、Q2、Q3、Q4）的冲击，同时也减轻了对电网带来影响，并向逆变器供电。滤波电容由铝电解C1和高频电容C2组成，这样可以在IGBT开关时把高频变压器漏感中存储的部分能量与滤波电容C1、C2中能量进行无损耗的交换，以达到提高整机的功率因数的目的。IGBT桥路开关（Q1、Q2、Q3、Q4）电路由四只隔离的M57962L驱动芯片进行隔离驱动。在DSP脉宽调制信号的控制下通过高频变压器B1完成电源的逆变。电流、电压的控制精度和焊接的稳定性由四个电流、电压反馈控制电路来完成的。最后经高频快恢复二极管D5、D6整流后，经螺柱自动送料机、半自动螺柱焊枪（或手动螺柱焊枪），对螺柱进行焊接，其焊枪输出端的电压高达55V 左右。产生200---2500A的弧焊电流。

其中高频变压器是利用铁氧体材料，经过特殊工艺制作而成。该机器设有温度监测和保护电路，通过DSP可监测前、后桥散热板的温度，并对其进行过热保护和告警。设有电源电压，直流母线电压和控制电源电压监控电路，通过DSP进行监测和告警。主电路结构紧凑，布局合理，很好的解决了IGBT、超快速二极管和高频变压器的散热问题。短周期螺柱焊机工作时暂载率大于10%，长周期螺柱焊机工作时暂载率大于30%。高频逆变螺柱焊机采用了零电压和零电流高频软开关电源技术和DSP脉宽调制技术，简化了硬件电路。通过软件来实现对输出电流、电压的控制和整机的保护。其工作频率高达20KHZ，具有响应速度快、控制精度高、效率高、环保节电、成本低、输出功率最高可达150KW，基本上满足了我国各行业对螺柱焊机的需要。

另外，该机器还采用了彩色显示屏、中英文菜单、触摸屏操作。不但人机界面友好，而且操作简单明了，快捷方便。

高频逆变螺柱焊机与传统的工频螺柱焊机相比，具有以下技术优势：

（1）.提高了变压器的性能，长周期螺柱焊机的变压器也只有十几公斤，输出功率最高达150KW，焊接电流最高达2500A，整机体积大为减小，重量大为减轻，现场移动非常方便，而且比工频电弧螺柱焊机节能30%以上。

（2）.高频逆变螺柱焊机由于引入了电磁兼容、软启动和电容滤波电路，减少对自身的干扰和电网的污染。

（3）.高频逆变螺柱焊机采用了数字化电路，简化了硬件控制电路，减少了调试和维护程序降低的运营成本。

（4）.高频逆变螺柱焊机采用了DSP数字控制技术，相应速度以微秒计算，提高了螺柱焊机的动态特性和控制精度，使之焊接性能更加稳定可靠，尤其是薄板焊接更具有优势。

（5）高频逆变螺柱焊机具有完善的保护功能，减少了螺柱焊机的故障率；

具有完善的故障显示功能，使得故障检查更为简单，故障维修更为方便。

目前，高频逆变短周期螺柱焊机已经在一汽大众、北京奔驰等多个汽车生产厂家使用，完全可以代替进口螺柱焊机；高频逆变长周期螺柱焊机也在我国多个重点建设工程中得到广泛运用。

图1

图2

作者:刘孙东1，韩玉琦 2，陈志伟2

（1.深圳信息职业技术学院，2.深圳市鸿栢科技实业有限公司 广东.深圳）