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焊接电源检测设备的现状及发展趋势

日期:2015-9-18 13:41:05   浏览次数:

   根据焊接过程中焊接能量产生的基本特征,将各种焊接方法概括为五大类,即电弧焊接、电阻焊接、特种焊接、气焊和钎焊。对不同类型的焊接设备有不同的检测方法和检测设备,对焊接电源的机械、电气性能测试项目和侧重点也有差别。电弧焊和电阻焊是目前应用得最广泛的焊接方法。电弧焊和电阻焊焊接电源的检测设备也是最常用的两大类电源检测设备。 
1   电阻焊电源检测设备

    传统的电阻焊电源检测设备主要是大电流测试仪,一般只检测焊接电流的大小和通电时间的长短,检测的焊接电流也只分为交流电流和次级整流的直流电流两种形式。随着电子和计算机技术的日益发展,新型逆变式直流、交流、方波脉冲、电容储能等形式的电阻焊电源层出不穷,这类电源的焊接电流具有非正弦、非周期性,同时除对焊机的电气性能参数进行检测外还需对焊机的机械性能中电极压力大小、焊接过程中电极位移量大小(反映焊接质量的参数)、冷却水流量等参数进行测试,并对测试结果形成报告,传统的检测设备已经无法满足这些测试要求。 
    近几年来,日本、德国等发达国家已经推出了可以与工业控制计算机连接的信息化、集焊接质量控制和检测为一体的多功能电阻焊检测设备。如日本MIYACHI的MM-360A型电阻焊测试仪可在焊接过程中同时测量焊接压力和电流,并显示两者波形,还可与电脑联机处理所测量的数据;MM-730A型电阻焊测试仪通过抗磁干扰的变位传感器,对焊接时电极的位移量进行监测,进而实现间接控制焊接熔核的生成情况。德国Boschrexroth逆变电阻焊及其精密控制技术已经大量用于工业生产系统。
    Boschrexroth可以说是世界最大的中频电阻焊接系统制造商,其“多功能中频焊接控制器PSI63S”(电阻焊恒功率控制技术和超声波控制技术),已经不是传统意义的中频控制器,而是集成了普通中频控制器、焊接监测控制器(恒功率控制技术和超声波控制技术)和伺服运动控制器(气动元件或电子马达)的全能控制器,它可以对焊接电流、焊接时间、焊接功率、焊接熔核大小、焊接的位置、焊接的位移、焊接的压力等参数进行全闭环控制。对全部焊接参数进行实时控制并同时进行检测的焊接控制器,是电阻焊接控制监测系统的发展方向。 
2  弧焊电源检测设备

    与电阻焊检测设备的发展一样,电弧焊电源检测设备也经历了不同的发展阶段。以其技术含量和特点,分为四个发展阶段。在我国的弧焊检测设备中,最具代表性的电弧焊电源检测设备是以成都电焊机研究所、国家电焊机检测中心(成都电气检验所)、成都三方电气有限公司为主开发的测试台。

a) 第一代检测设备以成都电焊机研究所生产的HHC系列弧焊电源测试台为代表,用传统的互感器、分流器为电流传感原件,并配以指针式电流、电压、功率台表,对焊接电源的电流、电压、功率进行测量,用接触器切换和改变无感电阻负载的大小来模拟电弧。目前,这种检测设备在一部分焊接电源生产厂仍然使用,它具有精度高、可靠性稳定性好的特点,但体积庞大,使用维护复杂,功能单一,自动化程度底,很难满足现代化高效率的生产测试。

b) 第二代检测设备以成都电气检验所、成都三方电气有限公司研究生产的数字TDC系列电源测试台为代表,用数字化仪表取代了指针式台表,霍尔电流传感器取代互感器和分流器,在功能和测试精度方面与第一代设备一致,但体积大幅度减小,使用和维护性有了很大的提高,读数直观,操作方便,被全国大多数的焊接电源生产企业广泛使用,但它仍然带有第一代设备的缺点。

c) 现代制造技术和焊接生产的发展,对焊接设备检测在测试内容、实时性和测试精度各方面的要求不断提高,使得传统检测仪器在结构和功能上的局限性日益突显,难以适应和满足高效率、大信息化的现代检测工作需要。第三代检测设备是由成都三方电气有限公司在其参与研制的国家科技部专项资金项目“智能交/直流电源测试系统”样机基础上,进行第二次开发设计后推出的新一代PTE系列信息化检测系统为典型代表。它以虚拟仪器技术为实施平台,具有信息量大,检测速度快,人机界面优异,测试精度高,灵活性强等优点,还实现了对弧焊电源谐波电流分析、功率因数和效率等重要参数的实时测量。

    该检测系统在结构上具有以下特点:

(1)采用虚拟仪器技术作为实施平台。主机选用NI PXI-8174嵌入式控制器,数据采集选用PXI接口的PXI-6071E多功能卡,负载控制采用PLC作为主要控制单元。主机端的程序是事件驱动型。

(2)采用分布式(DCS)控制方法,把一个状态变量较多的大系统分解为若干个独立模块,系统的组态和扩展都十分方便,管理集中,分散控制,有效地增强了自动测试系统的灵活性。
(3)在软件环境方面,采用通用的Windows 2000操作系统,有利于充分利用现有的软件资源,编程环境是LabVIEW,并分为前面板和源代码。前面板以所见即所得技术构成程序主界面。
    该检测系统整合了多种计算机与信息新技术优势,能够方便快捷地完成焊接电源的各项电参数出厂检验,而且能够直观地看到每个被测量的波形细节,有助于深入了解和认识各检测量的物理意义,在功能上具有以下特点:
(1)智能型程序化的负载调整。根据用户输入的焊机的类型,当需要调整负载时,主系统会自动发指令到PLC,PLC根据指令决定其输出接点的状态,从而控制无感负载电阻控制接触器的通断,达到调节负载的目的。整个过程已经无需人工介入,即自动寻找工作点。
(2)电网电压的自动稳定。为了保证测试条件的一致性,焊接电源的输入电压应稳定在一定的误差范围内,而电网电压往往受负载和周围其他因素的影响,会出现较大的波动。该检测系统采用微控制器调压技术对电网进行自动监控。

(3)对谐波电流的检测与分析。谐波是电力电子设备的重要特征,也是污染电网的一大危害。从谐波抑制的角度,重要的是谐波的大小及测量的实时性。系统中基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测模块的全部功能由软件实现,可观察、记录检测过程的所有中间量。

(4)功率因数是衡量设备用电质量的一个重要指标,它反映了设备对电能的利用率,也是评价和开发高效率新型焊接电源的重要依据。电子控制的焊接电源往往引起输入电流的严重畸变,传统的用功率因素角来描述功率因素的方法已经不适用,本系统采用波形计算法,将被测对象作为一个整体,设计了用于三相电源的功率因素测量模块,避免了非正弦信号和三相不平衡的影响,解决了在工程中无法准确得到相电压的问题。为准确评价焊接电源性能提供了一个新的检测手段。

(5)效率反映了对电源的利用率。该检测系统实现了对焊接电源的输入、输出功率同步测量,减少了波动对测量的影响,能在不同的负载条件下,观察效率的变动,在提高检测精度的同时,对研究和开发高效率新型焊接电源以及对电能的利用率的认识有很大的帮助。

(6)网络化测量和控制是网络技术的一个重要应用。当前因特网的普遍应用,使得远程信息共享成为现实。基于现场总线和局域网的超远程操作方式,可以实现以往需要检测人员现场操作的工作,如仪器的标定、校准、故障诊断等。该检测系统已经为这一应用的实现提供了必需的技术支持。

    目前这个系列化的检测系统使焊接电源的检测不断地向精量化、高效化、自动化、信息化方向发展,已经在国内的近十家大规模焊接电源生产企业、检测机构、学校使用,今后需要进一步适应各个用户具体需求,做出更个性化的设计,以方便用户。
3   前面所提到的三代检测设备基本上是对焊接电源的静态电参数进行检测,只有第三代产品具有对空载—负载、空载—短路的过渡过程的检测和分析功能,但由于模拟电弧负载的调节方式都是接触器控制,在速度上存在局限性,很难客观地描述和仿真动态电弧。
    通常情况下,弧焊过程往往伴随着短路过渡、弧长变化、电流脉冲以及其他如送丝速度变化等因素对电弧产生影响,焊接电源对这些影响因素的反应能力就是其动态性能,它的好坏与工艺性能及其稳定性有直接的联系。因此,在综合评价焊接电源性能及质量时,动态性能是一项重要的检测内容。欧洲标准EN 729的第二部分中,已经提出了关于“焊接设备综合质量”的检测要求,并提出了校准焊接设备的实施周期。为适应这一发展需要,德国汗诺威大学D.Rehfeldt研制了焊接动态模拟机,即第四代弧焊电源检测设备。
    该模拟机由函数发生器输出动态参数,用一组高速非线性大功率电子开关电路来描述、仿真动态电弧,工控机对焊接电源的输出响应进行数据采集和处理,与系统配套的焊接分析仪将自动生成统计图表和检测结果的数据文件。另外,它可利用局域网或因特网能够方便地远程检测焊接电源。目前成都三方电气有限公司已经与德国汉诺威大学签订了生产、销售该机的合作协议。

    随着焊接制造技术的发展迅猛,国际焊接标准也日新月异,IEC 60974.10标准有对焊接电源的EMC提出了要求,我国相应的国标不久也将出台,这对焊接电源的EMC检测又将提出了新的检测任务,如何开发研制适用于焊接电源科研、生产、检测需要的EMC检测设备是我们急需要解决的课题。


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