【逆变焊机】逆变焊机原理与设计 逆变焊机维修

【逆变焊机】逆变焊机原理与设计 逆变焊机维修

逆变焊机

“逆变”与“整流”是两个相反的概念。整流是把交流电变换为直流电的过程，而逆变则是把直流电改变为交流电的过程，采用逆变技术的弧焊电源称为“逆变焊机”。

逆变焊割设备的工作过程，是将三相或单相 50Hz 工频交流电整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由 IGBT或场效应管组成的逆变电路将该直流电变为15～100kHz 的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流（或再次逆变输出所需频率的交流电）。逆变焊割设备的控制电路由给定电路和驱动电路等组成，通过对电压、电流信号的回馈进行处理，实现整机循环控制，采用脉宽调制PWM 为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊割工艺效果。

我国逆变焊机的研究开发起步于 20世纪 70年代末期，于20世纪 80年代开始发展。1982年，成都电焊机研究所开始了对晶闸管逆变式弧焊整流器的研究，于1983年研制出我国第一台商品化的 ZX7-250 晶闸管逆变式焊割设备，并通过了该项目的部级鉴定。随后，清华大学、哈尔滨工业大学、华南理工大学等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。我国逆变焊机已形成三代产品，现正向第四代新兴数字化逆变焊机迈进。第一代为晶闸管逆变焊机，其逆变频率为2～3kHz。第二代是大功率晶体管逆变焊机，逆变频率近 20kHz。

20世纪90年代初，多个规格的第一、第二、第三代的弧焊逆变器已在多所高校和研究所研究成功，并逐渐进入小批量生产，但大批量生产和大面积推广应用逆变式焊机却比较缓慢，主要原因在于：产品的可靠性差，返修率高；产品推出初期市场认知度较低；此外，当时半导体功率器件等原材料单价高造成生产成本偏高，导致其市场销售价格比传统焊机高。当时逆变焊机的可靠性差主要原因在于，逆变焊机是大功率电子产品，产品使用的电子元器件较多，相比一般的工业设备，要适应更加恶劣的工作环境，如高温、高湿度、高粉尘、电压不稳、强电磁干扰等，要保证、提高产品可靠性，则产品必须具备大规模、长时间应用经验，而当时的厂家规模普遍较小、投产时间短，未形成规模化生产，产品在实际用中的信息反馈有限。

21 世纪以来，国内的行业领先企业进行了大量试验及长时间的实践应用，经反复改进和完善，积累了大量产品研发与生产经验，对决定着逆变焊机可靠性的关键因素主电路和产品整体设计逐步趋于合理，技术趋于成熟，实现了产品参数较优匹配，基本解决了逆变焊机可靠性问题。逆变焊割设备生产成本及售价均有所下降，性价比优势显现，呈现出快速发展趋势，其应用范围越来越广，比重越来越高。我国逆变弧焊设备技术已逐步趋于成熟，产品品种规格呈多样化，产品价格在国际市场上有较大竞争优势，但在产品可靠性、产品功能多样化方面与全球领先企业仍存在一定差距。我国逆变焊割设备产量每年以大约 20%的速度增长，其发展速度大大高于传统焊割设备，替代传统焊割设备的趋势明显。欧美等发达国家逆变焊割设备的比重约为 60%～70%，当前我国逆变焊割设备的使用比重约为28%，尚有巨大的上升空间。

发展趋势

当前，15～100kHz 的逆变焊割技术已经成熟，产品的质量较高，已形成系列化产品。未来逆变焊割设备的总体发展趋势是向着自动化、高效率、智能化、模块化、轻量化发展，并以提高性能、可靠性及拓宽用途为核心，广泛应用于各种焊接、切割等工艺中。逆变焊割技术的未来发展趋势有：

a. 产品设计往标准化、模块化、平台化方向发展，降低技术开发成本，缩短产品开发与生产周期。

b. 研制专用、成套逆变焊割设备，为汽车总装、集装箱焊接、船舶制造等特定行业用户提供专业、高效的焊割解决方案。

c. 通过提高频率、采用高性能磁体、降低主要器件的功耗、优化结构等，使逆变焊割设备进一步小型化、集约化。

d. 研制和生产数字控制的逆变焊割设备，提高设备的焊接精度、可靠性和一致性。

相关品牌技术革新

2013年9月18日在中国上海，全球最大的焊接及切割设备、系统和材料的制造商与供应商——伊萨公司，伊萨拥有100多年的历史, 是全球最大的焊接与切割设备及材料制造的的领军企业之一。

在9月24日位于江苏张家港的伊萨中国工艺中心举办了"2013年伊萨设备日"活动。全方位展示在焊接与切割领域的创新逆变技术；在新品发布环节，伊萨介绍了两种采用逆变技术的焊接设备新品：轻便的多功能逆变焊机Aristo®Mig 4004i Pulse以及功能强大，使用灵活的Buddy™ Mig 系列逆变焊机。

焊机结构设计

逆变焊割设备由逆变电源与外接设备组成。其中逆变电源是逆变焊割设备的核心，其工作过程为：工频交流－直流－高频交流－变压－直流，是将三相或单相50Hz工频交流电整流、滤波后得到一个较平滑的直流电，由IGBT或场效应管组成的逆变电路将该直流电变为15～100kHz 的交流电，经中频主变压器降压后，再次整流滤波获得平稳的直流输出焊接电流（或再次逆变输出所需频率的交流电）。逆变焊割设备的控制电路由给定电路和驱动电路等组成，通过对电压、电流信号的回馈进行处理，实现整机循环控制，采用脉宽调制PWM 为核心的控制技术，从而获得快速脉宽调制的恒流特性和优异的焊割工艺效果。

由于逆变工作频率很高，所以主变压器的铁心截面积和线圈匝数大大减少，因此，逆变焊机可以在很大程度上节省金属材料，减少外形尺寸及重量，大大减少电能损耗，更重要的是，逆变焊机能够在微秒级的时间内对输出电流进行调整，所以就能实现焊接过程所要求的理想控制过程，获得满意的焊接效果。

焊机原理

逆变过程需要大功率电子开关器件， 采用绝缘栅双极晶体管IGBT作为开关器件的的逆变焊机称为IGBT逆变焊机。焊接时电路是闭合的，正是因为电路是闭合的才使得在整个闭合电路的电流处处相等；由于各处的电阻是

不一样的，特别是在不固定接触处的电阻最大，这个电阻在物理学上称为接触电阻。根据电流的热效应定律(也叫焦尔定律)，Q=I2Rt可知，电流相等，则电阻越大的部位发热越高，电焊在焊接时焊条的触头与被焊接的金属体的接触处的接触电阻最大，则在这个部位产生的热量自然也就最多，焊条又是熔点较低的合金，很快被熔化，熔化后的合金焊条芯沾合在被焊物体上后经过冷却，就把焊接对象粘合在一块了。

由于逆变焊机是一典型的开关电源（输出特性又有很大特点），输出功率大，工作环境变化大，所以要求元器件质量要好，这样才能保证工作的稳定型，寿命长。

焊机分类

优缺点

优点

①体积小、重量轻，节约制造材料，携带、移动方便

弧焊逆变器的基本特点是工作频率高，由此而带来很多优点。这是因为变压器，无论是原绕组还是副绕组，其电势E与电流的频率f、磁通密度B、铁芯截面积S及绕组的匝数W有如下关系：

E=4.44fBSW

而绕组的端电压U近似地等于E，即：U≈E=4.44fBSW

当U、B确定后，若提高f，则S减小，W减少，因此，变压器的重量和体积就可以大大减小。

由于逆变焊割设备中的逆变频率远远高于工频（是工频的300～2000倍），因此，其变压器的体积和重量会大大减小。同理，工作频率大幅度提高，电抗器的体积和重量也会大幅度减小。

变压器和电抗器体积、重量的大幅度减小，使逆变焊割设备本身的体积和重量大幅度减小，重量仅为传统焊机的 1/10～1/5，方便生产、运输和使用，并能在焊割设备制造中大量节约金属材料（主要为铜、硅钢片、铝等）的耗用。

②节能、高效

逆变焊割设备变压器和电抗器的体积和重量大大减小，相应的功率损耗(主要为铁心磁损耗和导线耗能)也随之大幅减小，其有效功率输出可达到 82%～93%。而传统焊割设备的有效功率输出只有 40%～60%，严重浪费电力资源。

③动特性好、控制灵活

逆变焊割设备采用电子驱动半导体功率器件，可以在微秒级的时间范围精确控制电流的大小，控制精度的提高大幅提升了焊割精度，可以满足各种弧焊方法的需要。 传统焊割设备的焊接电流只能通过手动调节变压器的抽头和铁芯进行粗略调整，导致电弧稳定性较差，无法对焊接过程进行准确控制，对焊缝成形、飞溅量的控制较差，难以满足制造业焊接精细化要求。

④输出电压、电流的稳定性好

逆变焊割设备抗干扰能力强，不易受电网电压波动和温度变化的影响。传统焊割设备采用交流电源，由于电流和电压方向频繁改变，每秒钟电弧要熄灭和重新引燃100～120次，电弧不能连续稳定燃烧，使得工件加热时间较长，降低了焊缝的的强度，难以满足高质量焊接的要求。

缺点

逆变焊割设备缺点主要为涉及的电子元器件较多，结构复杂，产品生产过程中的调试、检测、参数设定难度较大。

设备对比

逆变焊割设备与传统焊割设备相关指标对照如下：

以工业生产中常用的 400A手工焊机进行比较，传统交流焊机与逆变焊机的具体数据如下表：

功能方面

暂载率高-适合长期使用

允许的电压波动范围大：342V~482V

发电机兼容-适合施工现场使用

待机功能-节能

预存的优化曲线确保不同的母材、焊材和保护气体组合下最优化的参数设置

存储器可储存10组（U6）或255组（U82）的焊接参数

自定义优化曲线（U82 Plus）

SuperPulse 可精确控制焊接热输入量（U82）

QSet-智能焊接系统

慢启动、预送气和热启动 使起弧更顺畅且飞溅小

弧坑填充、可调回烧时间和滞后停气让手弧更平滑，延长导电嘴寿命并保证收弧点无裂纹

TrueArcVoltage (仅与PSF焊枪使用时有效)，无论多长的连接电源、回流电缆或焊枪，均能测量出正确的电弧电压值。

SuperPulse™

SuperPulse™

Aristo® U82

Aristo® U82

辅助器具

电焊机工艺装备完成焊接操作的辅助设备，包括保证焊件尺寸、防止焊接变形的焊接夹具;焊接小型工件用的焊接工作台；将工件回转或倾斜，使焊件接头处于水平或船形位置的焊接变位机;将工件绕水平轴翻转的焊接翻转机；将焊件绕垂直轴作水平回转的焊接回转台;带动圆筒形或锥形工件旋转的焊接滚轮架；以及焊接大型工件时，带动操作者升降的焊工升降台。

电焊机辅助器具包括防止操作人员被焊接电弧产生的紫外线、红外线或其他射线伤害眼睛、面部和颈部的面罩，焊接工作服、焊工手套和护脚等。

焊机用途

逆变直流手工弧焊机、逆变半自动气体保护焊机主要用于低碳钢、中碳钢及合金钢等多种金属焊接。逆变氩弧焊机主要用于不锈钢、铝、钛、锆等的焊接，特别是不锈钢薄板焊接。

逆变空气等离子切割机用于切割碳钢、不锈钢、合金钢、铝、铜等多种金属。该产品可以切割绝大多数金属和非金属，因等离子弧能量集中，割件的热影响区小，具有切割速度快、切割面光洁、热变形小、切割成本低等特点。

焊接小车是根据不同客户工件特点专门设计的包括焊机、工装在内的一整套设备，通过控制焊接小车实现自动焊接。一台自动焊接小车的焊接效率是人工焊接的 2 至 3 倍,一个操作工可以同时看管两至三台焊接小车，大大降低焊接人员工作强度，减少对高焊接技能人员的依赖，大幅提高了工作效率和焊接质量。

以上产品广泛应用于建筑、机械制造、造船、钢结构、车辆制造、电建、管道、化建、锅炉、桥梁等行业的焊接及切割。

工艺参数

维修方法

电阻法：就是利用万用表测量电路中各个器件的电阻值。检查电路中是否短路，开路。如，电阻是否有变值损坏的，电容失容，晶体管损坏，短路或开路等。这种方法最为简单，也最常用，适用于电阻、电容、电感、晶体管、集成电路等的初步故障判断。

电压法：就是在电路加电的状态下，测量电路各个工作点的工作电压是否正常。这种方法需要对电路比较熟悉。但是其测量判断结果会比较准确。

替换法：就是将电路中一些无法确定是否正常的元器件，用好的元器件将其替换，以此来判断和排除故障的方法。这种方法一般用于大致确定故障部位，它一般作为电阻法的后续判断方法。

波形判断法：在有条件的情况下，可以借助示波器等仪器，观察各个工作点的工作波形，从波形上分析电路的故障部位。这个是最直观的故障分析方法，用于分析一些疑难杂症。

故障处理

1.开机保护

原因分析，造成故障的原因有以下几个：

A、场管损坏，为过流保护。B、二次整流管损坏，为过流保护。C、中频变压器损坏，为过流保护。D、温控开关损坏，为错误保护。E、控制板保护电路损坏，为错误保护。

当焊机保护电路不工作时，焊机出现过流时，会造成炸机。在维修时一定要特别注意保护电路是否正常。

故障处理：对于场管和二次整流管的损坏，一般用电阻法测量场管的电阻，以判断是否有短路或场管和二次整流管电阻有异常。在判断中频变压器是否损坏，一般是拔去变压器插头看焊机是否还出现保护故障，如果拔去中频变压器，就不出现保护故障，就可以大致确定是否是中频变压器损坏了，不过判断这个故障的前提是二次整流管没有损坏，还有焊机输出没有短路。

判断温控开关的故障，只要短接控制板上的温控开关的连接线，如果故障消失，那就是温控开关引起的故障。保护电路的故障，排除其他故障的情况下，故障还是没有消失，保护灯还是亮着的情况下，我们就可以确定是保护电路出现了故障。排除这个故障一般也是用电阻法，用来测量保护电路的元器件是否正常。以此来修复故障。

2.无输出

原因分析，主要有以下几点：

A、底板（电源板）供电问题，没有300伏直流输出。B、辅助电源损坏。C、没有驱动脉冲。D、出现了故障保护。E、焊机内部连接线有脱落。

故障处理：底板（电源板）故障一般是由一些器件损坏引起的，比如，主继电器、辅助继电器、热敏电阻等。检查方法一般用电阻法和替换法。辅助电源损坏，也可以用电阻法和替换法，以此来测量辅助电源中的元器件有没有损坏，有条件可以使用波形法观测辅助电源的工作波形，看是否存在隐藏故障。在排除以上故障后就可以判断是否出现没有驱动脉冲的故障，其中涉及了是否出现保护，在一些焊机中，还有枪开关电路，它的工作异常也会出现没有输出脉冲。对于这个问题一般要借助于示波器，观测驱动脉冲的情况。在这个故障中我们也可以使用电压法，检查焊机各个部分的供电情况，以帮助排除故障。