焊接逆变电源的应用与发展现状

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1、前言 
    焊接电源的制造已有100多年的发展历史，进入20世纪60年代之后，硅整流元件、大功率晶体管(GTR）、场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等器件的相继出现，集成电路技术和控制技术的发展，为电子焊接电源的发展提供了更广阔的空间，其中最引人注目的是逆变焊接电源。
    逆变焊接电源体积小、重量轻、节能省材，而且控制性能好，动态响应快，易于实现焊接过程的实时控制，在性能上具有很大的潜在优势。从长远观点来看，逆变焊接电源是焊接电源的发展方向，国外逆变焊机的发展也充分说明这一点。目前在工业发达国家，手工电弧焊/TIG焊/MIG/MAG焊已经广泛采用逆变电源。世界上几家主要焊机制造厂商都已经完成了逆变焊机产品系列化，并以此作为技术水平的标志之一。
2、焊接逆变电源的发展与应用现状
    逆变电源被称为“明天的电源”，其在焊接设备中的应用为焊接设备的发展带来了革命性的变化。首先，逆变式焊接电源与工频焊接电源比节能20％～30％，效率可达80％～90％；其次，逆变式焊接电源体积小、重量轻，整机重量仅为传统工频整流焊接电源的1/5～1/10，减少材料消耗80％～90％。特别是逆变焊接电源有着动态反应速度快的优势，其动态反应速度比传统工频整流焊接电源提高了2～3个数量级，有利于实现焊接过程的自动化和智能控制。这些都预示着逆变焊接电源有着广泛的应用前景和市场潜力。目前，日本松下公司、大阪变压器公司的电弧焊机中，逆变焊机都超过了50％。美国的主要焊机生产厂家生产的逆变焊机已经超过了30％。其他工业发达国家逆变焊接电源的发展速度也很快。
    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逆变式弧焊电源，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、华南理工大学和时代公司等单位相继推出了采用各种开关元件的逆变式焊机。现在，我国逆变焊机电源已形成4代产品：第一代是以可控硅SCR为主攻率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。
3、逆变电源的发展方向
    逆变电源总的发展趋向是向着大容量、轻量化、高效率、模块化、智能化发展并以提高可靠性、性能及拓宽用途为核心，愈来愈广泛应用于各种弧焊方法、电阻焊、切割等工艺中。高效和高功率密度（小型化）是国际弧焊逆变器追求的主要目标自之一。高频化和降低主要器件的功耗是实现这一目标的主要技术途径。当前，在日、欧等国和地区，20kHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的质量较高且产品已系列化。
4、存在问题                                                                                                         （1）质量方面：逆变式焊机虽然在某些场合替代了弧焊整流器，但其可靠性与一般手弧焊机相比仍有差距。目前制约国产逆变式焊机推广和广泛应用的主要因素是焊机的可靠性。国外某些著名的电焊机生产厂对逆变焊机的不断改进，使它的可靠性已接近一般电焊机的故障率，即1%左右。另外一个问题是与国外相比，设备、仪器、工具、工装、检测手段、人员素质以及原材料元器件水平的差距，都使焊机的可靠性无从保障，返修率较高。 
（2）科研开发方面：逆变焊机发展的广阔前景吸引了众多大专院校和研究所。但是由于逆变焊接电源强电和弱电相结合，在研制时采用传统的实验方法不但要消耗大量的人力、物力和时间，且有些问题是实验方法难以发现和解决的。因此需要提出新的设计方法和手段。
5、对策
    逆变式焊机存在可靠性和质量问题，究其原因主要有：（1）技术不成熟，新产品开发力量不足；（2）结构设计和制造工艺结构安排和布线不合理，保护环节没有达到优化配合；（3）质量保证体系不完善，检测测试手段落后；（4）原材料元器件（如IGBT、MOSFYT、磁芯材料等）制造质量不可靠；（5）生产规模小，未能使用生产线和模具进行组装调试。
    为此建议如下对策来解决：
   （1）抓紧人才开发和国外信息收集,加强专用、成套设备科研测试基地的建设，以确保产品质量和性能；
   （2）理论计算和试验校正相结合，使决定可靠性和质量高低的关键性主电路设计和保护环节优化配合尽可能合理，最好采用计算机仿真和CAD,既可节省设计和制造调试逆变器的时间，又可减少逆变主电路元器件的烧损。
   （3）提高职工队伍素质，完善检测手段。通过电子功率器件的特性测试仪，对关键性的器件（IGBT|、快速二极管等）进行认真检测和挑选、匹配。利用电路板专用测试仪对元器件和整机进行老化和测试试验。
   （4）尽可能扩大生产规模，以便使用生产线、自动操作机、模具等先进手段，确保产品制造工艺的一致性和准确性，从而确保每台产品质量的一致性和可靠性。