摘要: 隨著技術進步和成本降低, 中頻直流電阻焊近年來得到進一步的推廣. 本文回顧了中頻直流電阻焊的主要優(yōu)點. 介紹了WTC/Medar 新型GWS-2D系列控制器（它配備了第5代逆變器, 5000系列時調(diào)器, 以太網(wǎng)編程器, 網(wǎng)關聯(lián)網(wǎng)通信以及用于保護手工操作連變壓器焊鉗的安全接地故障安全系統(tǒng)）. 查閱了一個新的適應控制點焊方法 — 恒熱量控制. 該方法的概念是基于通過反饋補償使形成一個焊點的實際熱量達到預先設定的目標熱量.
關鍵詞: 中頻直流, GWS-2D 控制器, 第5代逆變器, 5000系列時調(diào)器, 恒熱量控制.
Abstract: With the progress in technology and reduction in cost, MFDC welding systems are gaining more popularity in recent years. Main benefits of MFDC welding are reviewed. Introduced WTC/Medar new GWS-2D Series Control equipped with 5thgeneration inverter, 5000 Series Timer, Ethernet DEP, Gateway network communication, also Ground Fault Safety System for protection on manual operated transguns. Finally examined a new adaptive spot welding system Constant Heat Control (CHC) based on the concept of achieving actual heat quantity in forming a spot weld equals to pre-determined target heat quantity for that weld through feed back compensation.
Key words: MFDC, GWS-2D Control, 5thGeneration Inverter, 5000 Series Timer, CHC
隨著中頻直流電阻焊技術（中頻點焊機）的不斷進步和成熟, 加上成本的降低, 近年來在汽車, 航空航天, 日用電器, 化工等各工業(yè)部門都得到了迅速的推廣. 美國三大汽車廠都有改造規(guī)劃,要用中頻直流來替代工頻. 對于中頻直流電阻焊的優(yōu)點, 早已被大家一致公認, 原來阻礙進一步推廣的主要原因在于成本太高.
WTC/MEDAR公司通過幾年來的不斷努力, 在可靠性, 電流容量和降低成本上都有所突破, 新推向市場配有第五代中頻直流逆變器的 GWS-2D 系列.，不但在成本上有顯著降低，同時在技術和人性化設計等方面都有很大的進步：
在控制器連網(wǎng)上采用了網(wǎng)關(GATEWAY)技術, 可利用工廠的以太網(wǎng)(ETHERNET)實現(xiàn)控制器之間的通訊,免去了過去的焊接支持系統(tǒng)(WSS)需要重新架設局域網(wǎng)網(wǎng)絡的麻煩.
在焊點質(zhì)量控制方面, 除了WTC/MEDAR控制器軟件固有的優(yōu)點和熱膨脹反饋控制 (TFF) 以外, 正在進一步完善新的恒熱量控制系統(tǒng)(CHC). （廣州精源中頻點焊機www.jyee.com.cn 也具有恒功率，恒熱量控制系統(tǒng)，焊接電流在20000A的設備中在國內(nèi)占有相當高的市場份額）該系統(tǒng)在美國福特汽車廠二條生產(chǎn)線上考核中已顯示了它獨特的優(yōu)越性.
為了方便不同語言習慣的操作者使用, 該系列產(chǎn)品可以顯示八國文字,包括中, 英, 法, 德, 意, 西, 葡, 韓.
WTC 公司是一個集研發(fā)、設計、制造于一體的綜合性公司。她有上百項國際專利，有強大的研發(fā)隊伍和實驗室。近年來，他們對中頻逆變直流焊的節(jié)能、安全、可靠性等方面的研究投入了大量的人力和物力，取得了可喜的進展。搞企業(yè)除了追求效益最大化之外，我們還應該有一份責任，那就是社會的責任、節(jié)約能源的責任。中頻直流電阻焊相對傳統(tǒng)的交流焊來說，具有很顯著的節(jié)能效果。因此，我們有義務來推廣中頻焊機。
下面我將對WTC在中頻直流焊（中頻點焊機）的進展情況向大家做一個簡要的匯報.
在這一節(jié)里我們主要以WTC的焊接實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對中頻直流焊的節(jié)能等特征作簡要歸納:
1.1 與交流電阻焊比較, 由于直流焊接電流波形沒有交流電流過零時的冷卻效應, 對某一工件的合格焊點區(qū)面積向低電流區(qū)顯著增大.
圖 1 MFDC 和交流焊點合格區(qū)對比 (無鍍層鋼板)
圖 2 MFDC 和交流焊點合格區(qū)對比(鍍鋅鋼板)
再從下圖的對比中可清楚看出在同樣的均方根電流值下MFDC 的峰值電流比交流要小得多.
圖 3 MFDC 和交流峰值電流的對比 (相同均方根值電流下)
1.2 三相供電, 功率因數(shù)接近100%.焊接同樣工件消耗能量降低.
這里為了比較電力消耗,所以施加同樣焊接電流和通電周數(shù). 實際上焊接同樣工件用直流焊時電流可以降低, 若施加同樣電流則通電周數(shù)可大大縮短. 所以實際節(jié)能效果遠高于表格所列數(shù)據(jù). （廣州精源中頻點焊機www.jyee.com.cn 也具有恒功率，恒熱量控制系統(tǒng)，焊接電流在20000A的設備中在國內(nèi)占有相當高的市場份額）
1.3 直流焊焊點強度一致性好, 偏差遠比交流焊要小, 這又可節(jié)省出一大塊能量。
交流焊接 直流焊接
初級電流=687A (單相) 初級電流=164A (3相)
電流上坡周數(shù)=0 電流上坡周數(shù)=0
通電周數(shù)=12 通電周數(shù)=3
上述工件焊點最低斷裂力矩強度要求為75牛頓米. 直流焊由于焊點強度一致性好,所以可以減少通電周數(shù), 但仍能保持充裕的焊點強度余量. 交流焊由于強度偏差范圍大,不得不增加通電周數(shù).
1.4 交流焊機最合適的使用范圍為額定焊接電流70%到90%. 低于70% 時電流穩(wěn)定度就開始變差. MFDC的合適使用范圍可從20%到90%.
1.5 頻率從50/60HZ 提高1000/1200HZ,從而使焊接變壓器的體積和重量大大降低. MFDC變壓器體積只有交流變壓器的24%到 30%. 使用MFDC 連變壓器焊鉗將大大降低焊工的勞動強度和機器人的負荷量.
1.6 控制電流的速度和精度大幅度提高. 用交流焊時, 當控制器發(fā)現(xiàn)電流同設定值有偏差時, 只能在下一個工頻周波開始調(diào)節(jié).MFDC 的頻率基本上比工頻高20倍, 調(diào)節(jié)時間僅是交流焊的1/20. 加上交流用可控硅開關, 電流關斷時間取決于交流電壓過零點, 所以控制電流是預測性的. MFDC 用IGBT開關, 接通和關斷時間均受控制, 所以控制電流是決定性的.因而MFDC是配置適應控制(如TFF和CHC)最理想的選擇.
WTC/Medar 最新推出的GWS-2D系列控制器配置第5代逆變器和最先進的5000系列時調(diào)器. 系列中除了單臺, 雙臺, 三臺時調(diào)器組裝的控制器外,還可安裝級聯(lián)選擇模塊, 此時, 焊接時調(diào)器可將逆變器輸出電流按次發(fā)送到三個不同的焊接變壓器.
GWS-2D 還配置了新型的以太網(wǎng)編程器,使用范圍和靈活性大有提高. 更特別值得指出的是WTC/Medar的控制器裝有最新研制成功的接地故障保護裝置, 使得手工操作逆變型連變壓器焊鉗的安全性得到了完全的保證. （廣州精源中頻點焊機www.jyee.com.cn 也具有恒功率，恒熱量控制系統(tǒng)，焊接電流在20000A的設備中在國內(nèi)占有相當高的市場份額）
圖 4 GWS-2D 控制器
2.1 第5代逆變器
圖5是WTC/Medar第五代逆變器, 電容充電采用可控硅, 可靠性和穩(wěn)定性均有顯著提高. 電流容量等級(按10% 負載持續(xù)率) 從400A 到2000A. 最近又試制出了4000A.再加上制造成本的降低, 使得在各工業(yè)部門推廣前景十分看好. 以2000A 逆變器為例, 如果配以匝數(shù)比1:38的焊接變壓器, 則次級焊接電流已可達到76000A, 為高質(zhì)量要求的輕金屬焊接提供了有力的支持.
圖 5 第5代逆變器
2.2 5000系列焊接時調(diào)器
5000系列時調(diào)器采用了新型高速微處理器. 它不僅能配置成適應各種焊接應用的需要, 而且足以處理適應焊接的算法要求, 如熱膨脹力反饋控制(TFF) 和恒熱量控制 (CHC).
圖 6 5000系列時調(diào)器
2.3 以太網(wǎng)編程器(數(shù)據(jù)輸入板)
新型的以太網(wǎng)編程器EDEP有二種規(guī)格. 第一種用于一對一在控制器局域以太網(wǎng)接口上編程和收集數(shù)據(jù), 第二種用于接在工廠以太網(wǎng)網(wǎng)絡上進行操作. 焊接控制器上的局域以太網(wǎng)接口和串行接口也可用手提計算機進行操作.
圖 7 以太網(wǎng)編程器
2.4 利用工廠以太網(wǎng)的焊接網(wǎng)關聯(lián)網(wǎng)
焊接網(wǎng)關軟件是一個網(wǎng)絡資源工具, 當安裝在PC機上并連接到廣域以太網(wǎng)后, 操作者可以監(jiān)視處于同一網(wǎng)絡上的各組焊接控制器的狀態(tài)并收集數(shù)據(jù). 接口界面的設計使操作者能快速瀏覽網(wǎng)絡并看到哪臺焊接控制器發(fā)生了故障、報警或已離線. 焊接網(wǎng)關軟件能監(jiān)視和收集它能看到焊接控制器的數(shù)據(jù), 及時更新狀態(tài)的變化和向操作者提示故障內(nèi)容.
2.5 帶接地故障保護接口的GWS-2D 控制器
用連變壓器焊槍替代帶電纜焊槍已成為必然趨勢. 但這樣操作者就直接接近初級380V供電電壓, 若使用MFDC, 則電壓將會更高. 為了保護操作者的安全, 保護電路至少應滿足以下3點要求:
1）任何時候, 控制器與焊接變壓器之間的接地線的完好性必須受到監(jiān)視.
2）任何時候, 從控制器連接到焊接變壓器的二根電力電纜之間電流不平衡度必須受到監(jiān)視. 若從變壓器流回到控制器的電流低于從控制器送到變壓器電流10 ma以上, 說明初級電流已向地中漏掉(接地故障電流), 此時保護電路就應斷開變壓器電源.
3）電力電纜應采用金屬屏蔽套, 且屏蔽套必須在控制器一端接地.
為此, WTC/Medar開發(fā)出了安裝在控制器內(nèi)的接地檢測?？?/span>(GFM), 不僅完全滿足了以上3點要求, 并且還增加了安全檢測:
此外, 接地檢測?？爝€有自診斷能力,每次接通電源時進行自診斷和每25小時至少自診斷一次. 若發(fā)現(xiàn)問題立即停止焊接,并用接地檢測?？彀迳系陌l(fā)光二極管指出問題性質(zhì), 并將信息傳送給控制器. 自檢測有9個項目, 要化8秒鐘時間. 在檢測未通過前阻止焊接.
接地檢測?？?/span> 能按照問題的嚴重程度(如接地故障電流是處于10ma到 30ma之間, 或 30ma
以上, 持續(xù)多長時間)來判斷如何作出反應.
為了測試監(jiān)控以上項目, 要用二個接地檢測?？?/span> 來完成, WTC/Medar 稱之為雙重重復接地保護控制器,專用于MFDC 連變壓器焊槍. （廣州精源中頻點焊機www.jyee.com.cn 也具有恒功率，恒熱量控制系統(tǒng)，焊接電流在20000A的設備中在國內(nèi)占有相當高的市場份額）
圖 8 雙重重復接地故障保護線路示意圖
盡管采用了以上安全措施, 但視安全為第一要務的WTC/MEDAR對所有GWS-2D 控制器都強行安裝了隔離接觸器. 這樣做可防止空載時IGBT發(fā)生漏電造成事故.
恒熱量控制. 是基于通過反饋補償使形成一個焊點的實際熱量達到預先設定的目標熱量.。
恒熱量控制(CHC)是一種適應控制系統(tǒng), 它通過探測焊接狀態(tài)下電極端之間電壓來控制焊接電流, 從而控制每單位體積的總熱量.通常使用的恒電流方法是將焊接電流維持在一個預先設定的數(shù)值. 在CHC 中, 焊接時被測量和受控制的是所施加的熱量. 我們知道電阻焊時發(fā)生的熱量(焦耳)等于I2 R t. 在CHC 中, 該熱量將被控制到最佳水平.（廣州精源中頻點焊機www.jyee.com.cn 也具有恒功率，恒熱量控制系統(tǒng)，焊接電流在20000A的設備中在國內(nèi)占有相當高的市場份額）
WTC的中頻控制器具有恒熱量功能。
圖 9 CHC 探測電極間電壓
3.1 目標熱量 Jv
CHC 中引入了目標熱量概念. 我們稱單位體積(1 mm3)的最佳熱量為 “目標熱量Jv”. 目標熱量的計算公式見圖10:
圖 10 CHC 計算目標熱量公式
3.2 CHC 的控制機理
從圖 11的公式中可看到目標熱量Jv同焊接電流I, 焊接時間t, 電極間電阻R, 工件總厚度L, 電流通過面積S, 工件電阻率ρ之間的關系.
公式中電阻率ρ 按焊接時溫度而變化, 在800 到 1500oC范圍內(nèi)基本上保持在120µΩ的同一水平上. 所以只要先設定總厚度L和測出電阻R, 就能算出電流通過面積S. (電極間電阻R從電極間電壓和電流測出).
在施加電流過程中CHC對電流進行增加或減少以滿足施加電流結束時實際施加的熱量J能符合目標熱量Jv.
圖 11 目標熱量同電流, 電阻, 時間, 電阻率, 總厚度之間的關系公式
從以上公式中可以看出當電極發(fā)生磨損時, S增加, Jv 也就會相應增加進行補償. 當焊接處附近已存在一個焊點發(fā)生分流時, 也相當于S增加, Jv也就會相應增加進行補償. 同樣壓力的波動, 焊有鍍層金屬, 也以同樣的機理進行補償. 總之, 在CHC中, 對每一個焊點的目標熱量Jv 是預先設置好的. 控制器的執(zhí)行使焊接電流結束時施加的熱量J能與目標熱量Jv相一致. 當通過電流時, 電阻值一直在變化, 用熱量反饋來實現(xiàn)J= Jv .
3.3 發(fā)生飛濺時CHC 的處理方法
當發(fā)生飛濺時CHC測得R 顯著下降, 此時CHC 立即作出反應, 在測到飛濺的下一周按測到飛濺后電流率來 完成余下的焊接過程. 測到飛濺后的電流率是預先設定的, 而且有幾種模式可選擇.通過試驗考核, 用這種方法處理發(fā)生飛濺 的焊接, 不會造成熔敷金屬的缺少. CHC 的電流起始點, 一般取恒電流值的80%. （廣州精源中頻點焊機www.jyee.com.cn 也具有恒功率，恒熱量控制系統(tǒng)，焊接電流在20000A的設備中在國內(nèi)占有相當高的市場份額）
3.4 初始脈沖
使用CHC 時, 需要在電極加壓后和主焊接電流接通前, 施加一個初始脈沖電流 (對MFDC 為30 msec, 對交流是2周)和冷卻時間 (對MFDC 為35 msec, 對交流是2周). 初始脈沖電流使工件適應焊接并消除由于接觸電阻造成的電阻離差.
尾聲
中頻直流電阻焊接（中頻點焊機）與目前傳統(tǒng)的交流電阻焊接相比具有控制精度高、節(jié)能、焊接質(zhì)量好等獨特的優(yōu)點。中頻電阻焊技術必將成為電阻焊接的趨勢。上海梅達公司作為WTC/MEDAR焊接技術公司 和RoMan 變壓器公司的合資企業(yè)，在中頻直流電阻焊技術應用方面，享有得天獨厚的優(yōu)勢。近幾年來，上海梅達利用WTC/MEDAR的中頻直流控制器和RoMan中頻直流變壓器成功地制造了相當數(shù)量的中頻直流焊機，它們已被廣泛地應用在我國的航天航空、軌道交通、日用電器、醫(yī)療器械、汽車制造等行業(yè)，梅達公司在為企業(yè)創(chuàng)造效益的同時創(chuàng)造了很好的社會效益。在我們大力提倡建設節(jié)約型社會的今天，企業(yè)為社會提供更環(huán)保、更安全、更節(jié)能的產(chǎn)品，這也是我們的一種責任。
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