逆變式焊機的應用與發展現狀、趨向、問題及對策研討

    1 國內外逆變式焊機發展與應用現狀 

    現代焊接設備的發展與電力電子技術和器件的發展密切相關。 50年代末，功率半導體二極管開始用于焊接電源，所構成的弧焊整流器明顯優于弧焊發電機。70年代初，由晶閘管（SCR）構成的可控整流式弧焊機的出現標志著現代電力電子技術開始進入焊接電源設備領域。SCR弧焊機的電氣特性和工藝特性優于二極管整流弧焊機，是當時廣泛應用的一種重要焊接電源設備。70年代中到80年代中，性能優良的自關斷電力電子開關器件：功率晶體管（GTR），功率場效應管（MOSFET），絕緣柵晶體管（IGBT），可關斷晶閘管（GTO）等相繼出現。70年代末開始出現晶閘管式逆變弧焊機并主要應用于TIG和手工電弧焊，后來又推廣到CO 2 、 MAG等焊接方法和切割。1982年，華南理工大學訪問學者在德國首先研制成功場效應管式弧焊逆變器，其應用領域從TIG到手工電弧焊、氣體保護焊以及切割，促進了焊接設備更新換代的發展。80年代末又出現IGBT式逆變焊機，主要應用于各種電弧焊和切割。以功率晶閘管、晶體管、MOSFET、IGBT等為開關器件的新一代弧焊逆變器，采用高頻PWM開關技術和微電子控制技術，淘汰了笨重的工頻變壓器和笨拙的電磁控制方式。它不僅具有高效節能、體積小、重量輕、多功能、多用途等優點，而且具有良好的動、靜態特性和工藝特性。因而，新一代的弧焊逆變器自問世以來，受到廣泛的重視，發展迅猛。1989年世界焊接與切割博覽會（埃森博覽會）上有30多家廠商展出了弧焊逆變器。1993年的埃森會上，絕大多數的廠商都展出了弧焊逆變器及設備。據IIW XIIC 1993年11月所作的調查，逆變式焊機在日、美、歐等地使用的焊機中占17%，其中在氣體保護焊和TIG焊中占30%以上。到了1996年，日本日立公司的IGBT逆變焊機已占MIG/MAG焊機的70%，占TIG焊機的95%以上，占切割機的100%，日本松下，大阪變壓器公司的逆變式焊機都超過50%。以IGBT，MOSFET等為開關器件的弧焊逆變器，有著廣泛的應用前景，是當前國際焊接電源設備發展的主流和方向。 

    在我國，逆變式焊機的研究工作始于 80年代初，緊跟國際研究開發的進程，水平差距也不大，已形成三代產品。第一代是以SCR為主開關器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為2000-5000Hz。第二代是以GTR或MOSFET為主開關器件的弧焊逆變器，其逆變頻率為20kHz-50kHz。第三代為IGBT弧焊逆變器，逆變頻率為20kHz-30kHz。到90年代初，多個規格的一、二、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，但大批量生產和大面積推廣應用逆變式焊機卻比較緩慢。能進行批量生產廠家為數不多，并開始于大約90年代中后期。 

    2 逆變式焊機的發展方向 

    逆變式焊機總的發展趨向是向著大容量、輕量化、高效率、模塊化、智能化發展并以提高可靠性、性能及拓寬用途為核心，愈來愈廣泛應用于各種弧焊方法、電阻焊、切割等等工藝中。高效和高功率密度（小型化）是國際上弧焊逆變器追求的主要目標之一。高頻化和降低主要器件的功耗是實現這一目標的主要技術途徑。當前，在日、美、歐等國和地區， 20kHz左右的弧焊逆變器技術已經成熟，產品的質量較高且產品已系列化。弧焊逆變技術正朝以下方向發展： 

（ 1）沿20kHz的技術路線開發研制50kHz，100 kHz級的弧焊逆變器。 

（ 2）探討旨在降低電力電子器件開關功耗，提高開關頻率的零電壓，零電流開關（軟開關）技術，其中包括電路拓撲結構和工程實現。
（ 3）研制和生產大容量的逆變式焊機。 

（ 4）研制和生產智能控制的逆變式焊機。 

（ 5）研究功率因數校正和減少電網諧振干擾 

    3 逆變式焊機存在的問題和對策 

    3.1 存在的問題 

    由于帶有“急功近利”的浮躁心態，一哄而上的逆變熱有較大的負效應和潛伏著重大的危機。 1992年中國焊接協會受機電部委托對國內有代表性的一種ZX7-400晶閘管逆變式焊機進行測試評定，其結論是：“國產晶閘管逆變弧焊機的可靠性較差”。第二、第三代315A及以下的逆變式焊機已有不少單位通過技術鑒定，但在批量生產時遇到困難，主要是產品的可靠性差，返修率高。國家計委已將此問題列為“八五”攻關課題，可靠性指標定為5000h,實際的調查和測試表明：國內、外逆變焊機的焊接工藝性能相差不大，主要差別在于可靠性，尤其是大容量焊機。IGBT逆變式焊機在發展中存在的問題是由于逆變熱在1992-1995年間“席卷”中國，上百家企業都在研制逆變式焊機，都已在不同程度上開發出不同規格的樣機或產品。生產廠家相互競爭，將一批批實驗室的樣機和未經實驗中的不成熟的產品推向市場，但很少有人對可靠性、焊接工藝和維修等方面作深入的研究和扎實的工作。由于大量不成熟的產品推向市場，使中國的用戶對逆變焊機的可靠性存有很大的疑慮，致使欲更新焊機的用戶更加謹慎。 

    逆變式焊機在我國具有極大的推廣價值和巨大的市場。目前制約國產逆變式焊機推廣和廣泛應用的主要因素不是價格，不是焊機的性能，而是可靠性。逆變焊機的可靠性，另一個問題是在生產過程中我們要把其作為大功率電子產品來對待，要有相應的生產、檢測手段，相應的人員素質。這與傳統焊機的生產要求有著質的不同，不然的話，上千種電子元器件組成的高性能逆變焊機的可靠性就無從保證。因此，提高國產逆變式焊機的可靠性是我國傳統焊接電源設備更新換代的關鍵。 

    3.2 對策 

    逆變式焊機存在可靠性和質量問題，究其原因主要有：①技術不成熟。②主電路參數和結構設計不合理，主電路器件（電子功率開關管如 IGBT、MOSFET、快速二極管、磁芯材料等）選擇不合理。③保護環節（如RCD參數）沒有達到優化配合。④制造工藝結構安排和布線不合理，型式試驗和器件（含電路板）檢測手段落后或不嚴格。⑤生產規模小，未能使用生產線和模具進行組裝調試。 

    為此建議如下的對策來解決可靠性和質量問題： 

    （ 1）對不成熟的技術產品（實驗室樣機）不能過早投入批量生產而必須通過小試、中試等階段進行“催熟”，反復改進和完善，“幾上幾下”，進行試制試用改進，在質量和可靠性真正解決后才能投入批量生產。 

    （ 2）理論計算和試驗校正相結合，使決定著可靠性和質量高低的關鍵性主電路和設計盡可能合理，最好采用計算機仿真和CAD，既可節省設計和制造調試逆變器的時間，又可減少逆變主電路元器件的燒損。此外，通過電子功率器件的特性測試儀，對關鍵性的器件（IGBT、快速二極管等）進行認真檢測和挑選、匹配。 

    （ 3）合理設計電子功率開關管的保護環節，并在主電路調試期間細心地進行阻容參數的最優匹配。 

    （ 4）利用電路板專用測試儀認真檢測其各部分是否正常工作，只有先進的配套專用設備才能減少各種偏差，保持一致性，并對元器件和整機進行老化和測試試驗。 

    （ 5）盡可能擴大生產規模，以便使用生產線、自動操作機，模具等先進手段，確保產品制造工藝的一致性和準確性，從而確保每臺產品質量的一致性和可靠性。 

    （ 6）推廣精品焊機，先進的手段加上可靠耐用的元器件、部件，才能使逆變焊機走向良性循環。不在低售價、低利潤→低劣元器件→低質量→低信譽，更低售價里惡性循環。