深度解析电弧螺柱焊机及其用于螺柱焊的直流焊接电源的特点

行业观察

电弧螺柱焊机是由焊接电源、控制器、焊枪、地线钳、焊接电缆等部分组成。但大多数焊接设备的焊接电源都与控制器合并为一体,称为主机。比较先进的控制方式是使用微处理器,以便精确设置和适时控制焊接过程中的焊接电流、焊接时间等参数。焊接电源一般为晶闸管控制的或逆变式的弧焊整流器。逆变式的弧焊整流器体积小、重量轻、动特性好,无疑是焊机的首选,但受大功率器件的限制,所以目前大容量的焊机还是以晶闸管控制的弧焊整流器为主。但不论那种结构的焊接电源,其安全要求都应符合GB15579的规定。

用于螺柱焊直流焊接电源应具有以下特点:

a、焊接电源应具有下降的静外特性。只有这样才能维持电弧的稳定性,保证焊接质量。

b、焊接电源应有引弧电流(40~50A)和较高的空载电压(70~100V)。以确保100%的引弧成功率,对于大直径的螺柱焊接,其空载电压甚至超过100V。只有这样才能满足提升高度较大时的需求。

c、要有较高的负载电压。按弧焊电源下降特性的定义,当焊接电流≥600A时,其负载电压应保持44V不变。在施工现场使用的焊机,其焊接电缆较长,有的长达50m,电压降很大。如果不增加负载电压加以补偿,就势必会降低其焊接能力,若不按照ISO14555规定配制焊接电缆的截面积,情况就会更加严重,甚至无法焊接。这就是为什么不同厂家制造的同一电流等级的焊机,其焊接螺柱的最大直径有较大差异的主要原因之一。

d、焊接电流要有陡升的前沿。螺柱焊接的最大特点是瞬间大电流,因此要求焊接电源在接通后的32ms之内,焊接电流应达到其峰值。对于短周期螺柱焊而言,其焊接电流的上升时间应该更短,否则就有可能出现焊接时间已到,但焊接电流还没有达到其峰值的现象。设定的焊接电流与螺柱焊接所得到的能量不成比例,则很难保证其焊接质量。

提高焊接电流上升速度的唯一办法是减小电抗器的电感量。普通弧焊整流器之所以要加大电抗器,除了滤波之外还要限制短路电流的上升速度和短路电流的峰值,以降低引弧时的冲击电流,减小飞溅和弧坑,并避免烧穿工件。螺柱焊则不同,是按照已设定的引弧、螺柱提升、接通主电源等逻辑顺序进行的。也就是说,在螺柱与工件有一定间隙的情况下才接通焊接主电源的,因而避免了引弧时的飞溅。其实螺柱焊的最大“飞溅”是发生在螺柱压入熔池时,瞬间发生的喷溅物。

通过试验已经证明:三相全波硅整流电源(纹波系数γ=0.042),即使没有滤波电抗器,照样可以进行螺柱焊接。螺柱焊用的由晶闸管控制的焊接电源的电抗器只是滤波而已,因此可以大大减小,至于减少多少?要视电源的主电路结构和电流调节范围而定。

e、电源要有较小的内阻抗。焊接电源的主电路的电气绝缘,采用H级耐热等级与B级相比,具有体积小重量轻的优点,倍受人们的推崇。但深入分析后发现,也并非完美无缺。

GB11021规定:H、B级耐热等级的最高温度分别为180℃和130℃,H级比B级允许的温度约高40%。也就是说,在主电路设计时,其线圈的电流密度可以大幅度提高,以减小导线的截面积。随之而来的是导线的电阻,也即电路的阻抗增加。这对于大电流焊接的螺柱焊机而言,则是致命的缺点。假如焊接电源主电路的绝缘由B级改为H级,次级回路所有导线截面积的减小而导致总电阻的增加那怕只有0.006Ω,按2500A焊接电流计算,其增加的功耗为37.5kw,再加上主变压器初级增加的功耗,则是相当可观的。焊接电源主电路的功耗增加,势必减小输出的焊接功率,使焊接能力下降,这便是体积、重量的减小付出的代价。也就是说,焊接同一直径的螺柱,H级比B级绝缘的焊机需要更高的功率才能达到同一效果,效率明显下降。国产RSN2-3150电弧螺柱焊机,B级绝缘,能焊接d=30mm的焊钉,这是同等级的H级绝缘的电弧螺柱焊机无法达到的。

f、供电的电源柜(箱)应有足够的容量,电弧螺柱焊机的负载持续率很低,一般都小于15%,消耗的平均功率较低,但瞬间功率却很大,大直径螺柱焊接时,瞬间功率甚至超过300kw,这就要求供电的电源柜(箱)应有足够的容量,以满足螺柱焊接的要求。如果供电电源的容量小,在焊接时,电源电压的降低达到其额定值的15%以下,超过了晶闸管的调压稳流的范围,就很难保证焊接质量,有些焊机甚至按照已设定的电源电压限值强迫停机。架设专线,提高电源柜(箱)的容量或错开用电高峰是解决问题的好办法。

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各种观点
  1. @孙辉TM℡¹⁸⁶⁸²²⁶⁰³¹⁵:

    汽车车身螺柱焊工艺

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