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《金属加工》2010北京埃 森焊接与切割展会专刊论文

时间:2016-07-02 08:43来源:未知 作者:admin 点击:

中国逆 变焊机技术的发展与应用趋势

北京华 巍中兴电气有限公司 魏 伦 总工程师
北京华 巍中兴电气有限公司 魏 巍 总 经 理

    摘要:本文介 绍了我国自改革开放以来制造业中逆变电焊机生产行业在国民经济建设中的重要地位和取得的主要成就;全面分 析了电焊机制造行业生产发展的现状;并对中 国逆变电焊机的发展历程、技术的 发展与应用趋势作了全面的论述;可以预 言中国企 业的快速发展正在加速我国从焊接大国向焊接强国迈进的步伐,我们已 经看到了中国焊接设备制造行业正在迅速崛起。

    一.电焊机 在我国装备制造业中的重要性

    2009年5月12日,国务院 常务会议讨论并原则通过了人们期盼已久的《装备制 造业调整和振兴规划》。规划指出,装备制 造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业,产业关联度高、吸纳就业能力强、技术资金密集,是各行业产业升级、技术进 步的重要保障和国家综合实力的集中体现。大力振 兴装备制造业是贯彻落实科学发展观、走新型工业化道路、提高国际竞争力、实现国 民经济全面协调可持续发展的战略举措。加快振兴装备制造业,要坚持 市场竞争和政策引导相结合。因此,发展我国制造业,尤其是装备制造业,必须高 度重视焊接技术及电焊机产品的同步提高和发展。

    从发展前景来看,以钢材 料生产及消费的相关行业为例,2007年我国的钢产量是4.9亿吨,2008年为5.02亿吨,2009年钢产量为5.6亿吨,目前我 国几乎占到全世界年钢材消耗量的1/3-1/2,成为世 界上最大的钢材生产国和消费国。但从1901年到2006年的历史数据来看,美国累计钢产量为76.5亿吨,俄国等 独联体各国累计钢产量为62.1亿吨,日本累计钢产量为44.9亿吨,而我国 累计钢产量仅仅为35.6亿吨,还不到美国的一半。各国的累计钢产量,可以大 体看作各国的基础设施和制造业的钢材累计量;按照我 国完成工业化和城镇化的进程来看,有专家 认为我国的钢材累计产量至少还要增加40亿吨以上。由于焊 接设备的需求量与钢产量有着极为密切的依附关系,因此,未来20几年我 国焊接设备行业对于先进电焊机产品的需求将呈现不断上升的趋势,这一客 观形势为我国焊接事业的发展提供了一个很大的舞台。目前,钢材是 我国最主要的结构材料,在今后20年中钢 材仍将占有重要的地位;然而,钢材必 须经过加工才能成为具有给定功能的产品,钢产量的60%需要通 过焊接来组成各种机械装备,而电焊 机是保证高质量焊缝首要的必备设备。因此,发展我国制造业,尤其是装备制造业,必须高 度重视焊接技术及先进电焊机生产技术的同步提高和发展。

    二.电焊机 在制造业的主要成就

    改革开放30年以来,我国经 济有了巨大的发展。钢产量从1979年的3178万吨提高到2009年的5.02亿吨,增加了15.8倍。近几年来,我国在 大型焊接钢结构的开发与应用方面创造了建国以来的最高水平,有的已成为世界第一。例如,世界关 注的长江三峡水利枢纽工程,其水电 站的水轮机转轮直径为10.7m,高5.4m,重达440吨,为世界最大、最重的 不锈钢焊接转轮。其中,电动机定子座直径为22m,高6m,重832吨,是在我 国焊接的最大钢结构机座;蜗壳进水口直径为12.4m,总重量750吨,为世界最大、最重的焊接蜗壳。

    西气东 输工程的天然气管线,全长约4300km,其中涉 及到大量的螺旋管焊接和直缝管焊接。这是我 国铺设的第一条高强度钢的长距离管线,并且在 铺设中大量使用了自动化焊接设备。

    在桥梁 和高层建筑方面,焊接结 构的应用也取得了很大的进步。“世界第一拱桥”——上海卢浦大桥,全长3900m,跨度550m,为世界 跨度最大的全焊钢结构拱桥,用3.4万吨厚度为30-100mm的细晶粒钢焊接而成。上海的 金茂大厦是我国最高的摩天大楼,采用焊接钢结构框架,共有88层,高420m。

    我国的 造船业在过去的几年里有了很大的发展,从1995年起我 国造船首次超过实力雄厚的德国,成为继日本、韩国之 后的世界第三造船国。中国造 船工业加速发展,实现了历史性的跨越。2007年中国 船舶工业新接订单9845万载重吨,占到国 际市场近一半的份额,超过了韩国,首次晋升为全球第一,成为名 副其实的造船大国。

    在铝合 金及其它合金焊接方面的成就集中体现在航空航天工业产品的发展。“神舟”载人飞 船和长征系列运载火箭的燃料箱,都是全 焊接的铝合金结构。

    上述的 一些大型结构例子都是我国近年来焊接的最大、最新的 具有代表性的重要产品。它们的 制造成功表明我国电焊机水平和焊接技术有了明显的提高,电焊机 及其焊接技术在国民经济建设和社会发展中发挥着无可替代的作用。

    三.电焊机 行业生产发展现状

    根据电 焊机行业的数据统计,截至 2008年12月31日,电焊机分会共有112家会员,其中生产型企业108家。截至2009年5月上旬,共收到41家企业 的有效年报资料,占应报企业总数的37.96%,现就这41家的汇总资料对2008年电焊 机行业的经济运行情况作一分析。

    经对国内41家主要电焊机、切割机和兼业制造厂、大型焊 接辅机具厂的调查统计,2008年电焊机行业41家上报 数据企业共完成工业总产值661173.41万元(其中,4家辅机 具生产企业全年共完成工业总产值23987万元),同比增长15.31%,较2007年增速下降接近16个百分点,电焊机、辅机具 产值占行业工业总产值比重的61.66%。工业销售产值完成605022.08万元,同比增长16.49%,比2007年同期增速下降7个百分点;其中,出口交货值完成120062.60万元,同比增长18.89%;工业增加值完成194862.21万元,比2007年同期增速上升11.89个百分点;生产销售均较2007年同期有一定增长,利润总额随之增长,增幅为16.65%,但增速较2007年同期大幅度下降,约回落了70个百分点。表1为2008年度电 焊机行业生产经营状况统计表。

    2008年下半 年以来持续的国际金融危机对电焊机行业有一定影响,自2008年7月份以 来已有部分企业的电焊机产量、销售量 呈逐月下降趋势;尤其是造船、汽车制 造业企业需求减少,导致下 半年电焊机行业一些企业的订单急剧下降。从41家企业(含辅机具生产企业4家)的上报数据,可以看到2008年电焊 机行业市场及销售的一些具体情况,见表2、表3。

    2008 年,继上年 国家宏观经济持续发展,我国电 焊机行业上半年保持了快速增长势头,下半年受金融危机、市场需 求减少等不利因素影响,产量、销售量有所回落,但电焊 机行业厂家积极开拓市场,提高产品质量,加大对 高新技术产品的研发和产品结构调整,在当年 经济环境不景气的情况下,工业销售产值较2007年同期增幅达16.49%,其增速下降7.21个百分点,全年主营业务收入579093.63万元,比2007年同期增长14.36%,增速却较2007年同期下降约40个百分点,虽然增 速均为下降趋势,但是如 今的电焊机企业应对环境变化的能力已大幅度提高。

    2008 年,自动半 自动焊机仍是市场销售中的主导产品,其销售 额占总销售额的47.17%,而低端、技术含 量较低的产品在市场中已逐渐趋于落后趋势。37家电焊 机制造企业共销售各种自动半自动焊机达426560台,销售金额达225235.53万元,平均价格为0.5280万元/台,较2007年平均价格下跌0.1465万元/台。可见,随着市场的变化,中高技 术含量产品已越来越受到电焊机用户的青睐。2008年,随着价格竞争的加剧,中低档产品价格下滑,企业只 有通过努力开发高技术含量、高附加 值产品来获取更高的盈利和市场占有力。

    四.电焊机 行业产品结构变化及逆变电焊机的发展历程

    回顾中 国电焊机行业的发展历程,20世纪90年代是 电焊机行业动荡最大、争论最多、增幅下降迅速的年代,核心问 题是中国焊机制造业如何创新发展的方向问题。中国电焊机行业在90年代处于10年低潮时期,其原因 是老企业找不到方向,新企业规模都太小。

    根据1999年度我 国电焊机行业基本情况调查数据显示,电焊机 行业原机械部定点电焊机生产厂38个,这38个生产厂大部分有30余年的历史,是新中 国第一批焊接设备制造厂,曾经为 我国工业现代化进程做出了贡献。但由于 多年产品结构老化,这些厂 家面临着产品技术含量低,开发投入不足、不能及 时引进先进技术等问题。在38家定点企业中,1999年统计除一家微利外,其余全线亏损,有许多厂处于停产、半停产状态。

    90年代中期,电焊机 行业各界权威不断地发表着自己的见解,其实质 问题就是逆变焊机是不是中国电焊机行业的发展方向。这是涉及政府官员、行业主管、专家学者、生产企 业及广大用户的一场全行业大辩论,这场辩 论也牵动着国际同行大公司的注意力。

    面对中 国市场的巨大需求,一批有 远见的民营企业家经过多年的艰苦奋斗,前赴后继,代表中 国电焊机行业新生代的IGBT逆变焊 机终于被广大用户认可,被专家学者认可,这是新与旧、技术变 革与创新的成功。从近几 年北京埃森国际焊接展览会的参展展品充分说明了这一问题,中国企 业展示的焊机产品几乎全部是IGBT逆变焊机。

    五.逆变焊机技术的发展

    逆变焊 机的发展是随着功率开关器件、铁心材 料和控制技术的发展而逐渐发展起来的。逆变焊机的电路结构,一般采用交流输入→整流→逆变方波交流→输出再整流的过程,由于逆 变过程中工作频率提高,例如逆变频率20KHZ,比常规 焊机的频率提高了400倍,因此与常规焊机相比,可节省硅钢片90%左右,节省铜线90%左右,焊机体 积可以明显减小,重量明显减轻。由于逆变频率的提高,使控制 过程的动态响应明显改善,使焊接性能得到提高。逆变焊 机的发展主要经历了晶闸管逆变焊机、大功率 晶体管逆变焊机、场效应 晶体管逆变焊机(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变焊 机的几个发展阶段。

    (1) 晶闸管逆变焊机

    早期的 逆变焊机是快速晶闸管逆变焊机,主电路 形式采用半桥串联谐振结构。由于晶 闸管是半控器件,无法自动关断,必须利 用谐振电路中谐振电流自然过零进行关断,因此快 速晶闸管的逆变频率较低,约为2-3KHZ左右,主变压 器的铁心采用硅钢片。相比整流焊机,由于工作频率的提高,焊机的 体积和重量都有大幅度降低,工作频率为2-3KHZ对CO2气体保 护焊的焊接过程仍无法进行精细控制,因此晶 闸管逆变焊机真正商业化产品是焊条电弧焊和氩弧焊系列焊机。

    (2) 大功率 晶体管逆变焊机

    随着大 功率晶体管的出现,工程师设计出了大功率 晶体管逆变焊机,晶体管是全控器件,逆变形式有单端、半桥、全桥等,逆变频率15-20KHZ,变压器 采用铁氧体磁芯。但大功 率晶体管的缺点有二次击穿现象、易损坏、逆变焊机故障率较高。由于器件技术的发展,很快被 以后出现的功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管所取代。

    (3) 场效应 晶体管逆变焊机

    场效应 晶体管具有工作频率高、无二次击穿效应、电压驱 动可简化驱动电路、正温度 系数易并联等特点,在小容量逆变焊机中得到迅速应用。工作频率可达到100KHZ以上。场效应 晶体管单只电流较小且耐压较低,因此场效应 晶体管逆变焊机大多应用在单相输入和输出功率较小的机型,主电路 多为全桥逆变形式。为扩大功率输出,需多个 功率单元的并联结构,由于多 个功率单元的并联将引起整机的可靠性降低,因此大功率的场效应 晶体管逆变焊机应用较少。

    (4) IGBT逆变焊机

    IGBT具有场 效应晶体管电压驱动的特点,还具有大功率晶体管 输出电流大的特点,电压等 级和电流容量相比场效应晶体管大得多,因而在 中大功率的逆变焊机中广泛应用,其工作频率可达20KHZ以上,电路形 式以半桥和全桥逆变为主,焊机输出容量等级为200-2000A,200A以下由于成本相比场效应 晶体管逆变焊机高,因而竞争力较差。现在IGBT逆变焊 机已成为逆变焊机的主流,其机型 覆盖了焊条电弧焊、氩弧焊、CO2气体保护焊、熔化极氩弧焊、埋弧焊、切割机 等所有弧焊电源领域。

    六.逆变焊机的应用趋势

    本文主要以IGBT逆变焊机为例,对弧焊 电源领域中常用机型和功能做一介绍。所介绍的产品均选自北京华 巍中兴电气有限公司的系列产品,其产品设计先进,产品可靠性、焊接性能、性价比 均可达到国内一流水平,是目前 焊接设备市场需求中的主力实用机型,也是广 大焊接用户优选的焊机产品。

    1.华巍ZX7系列直流手弧/氩弧IGBT逆变焊机

    该系列逆变弧焊机有2种型号,11种规格产品:分别为ZX7-315/400/500/630/1000;ZX7-315D/400D/500D/630D/1000D;船厂专用多头ZX7-400S。该系列 产品是一种新型高效节能的直流弧焊机,采用IGBT作为逆变器件,逆变频率达20KHZ,无噪声。该系列 弧焊机不仅能用于碳钢和低合金钢的焊接,而且也能用于不锈钢、高合金钢、铜、银、钼、钛等金属的焊接。焊机外形如图1、图2所示。

    焊机主要功能特点:

⑴ 具有先 进的自适应控制技术可实现超群的电弧稳定性
⑵ 具有直流手工焊、直流TIG焊一机两用功能,特别适合氩弧焊打底、焊条电 弧焊盖面的管道焊接。
⑶ 数字显示焊接电流,可以方 便实现焊接规范预置。
⑷ 引弧性能好、可调,推力电流适中、可调,电弧挺度好。
⑸ 使用100米长的焊接电缆,仍可稳定焊接。
⑹ 使用范围宽,碱性、酸性、纤维素 等多种焊条均可实现高品质焊接。
⑺ 设有过热、过流、过压保 护等多种防护机能,可确保 焊机长期稳定运行。

    2.华巍NB系列CO2/MAG气体保护IGBT逆变焊机

    NB系列逆变式CO2/MAG气体保 护焊机是一种用于高效焊接的通用半自动电焊机。可使用∮0.8-1.6直径实 芯及药芯焊丝焊接低碳钢、低合金钢构件,广泛用于钢结构、船舶、电建等行业。焊机由 电源和送丝机构成,焊机外形如图3、图4所示。

    该系列焊机有2种型号,6种规格产品,分别为:NB-350/500/630;NB-350D/500D/630D。该系列 逆变焊机在国内CO2/MAG气体保 护焊机中占有很大的份额,也是我 国高效焊接加工的主力机型。

    焊机主要功能特点:

⑴ 采用先 进的自适应控制技术可实现低飞溅的焊接。
⑵ 具有一元化/分别调节转换功能。
⑶ CO2/MAG焊接时 可焊前预置焊接电流/焊接电压,焊条电 弧焊时也可焊前预置焊接电流。
⑷ 收弧填弧坑控制,当焊接终了时,可使焊缝收弧点饱满。
⑸ 收弧去小球控制,可使收 弧时焊丝端部无残留小球,提高了 再次引弧成功率。
⑹ 一机三用功能:CO2焊接;MIG/MAG焊接;直流焊条手工焊。
⑺ 适应机 器人焊接和自动化焊接过程。

    3.华巍WS/WSM/WSME系列IGBT逆变式直流/直流脉冲/交直流脉冲氩弧焊机

    该系列焊机有3种型号,共8个规格的产品,分别为:WS-315/400/500;WSM-315/400/500;WSME-315/500。该系列 焊机可实现直流恒流氩弧焊、直流脉冲氩弧焊、交流脉冲氩弧焊、焊条电弧焊,用于焊接碳钢、不锈钢、铜、钛、铝及铝 镁合金等各种材料。由于该 系列焊机具有理想的静外特性和良好的动态特性,因此焊接性能优良,广泛适 用于有色金属加工及产品焊接。焊机外形如图5、图6所示。

    焊机主要功能特点:

⑴ 直流TIG焊、直流脉冲TIG焊、交流脉冲TIG焊、焊条手 工焊一机四用功能。
⑵ 脉冲电流、基值电流、脉冲频率、脉冲宽度可无级调节,适合各 种规范下的焊接。
⑶ 设有低 频和中频脉冲功能,低频脉 冲适合各种材料的平焊、横焊、管状全位置的焊接;中频脉冲电弧挺度高,集中性好,更适合各种高强材料,薄板的焊接。
⑷ 出色的 高频引弧提高了焊接效率,引弧成功率接近100%。
⑸ 设有过热、过流、过压保 护等多种防护机能,可确保 焊机长期稳定运行。
⑹ 主要用于不锈钢、高强钢及低合金钢、铝及铝 合金等材料的焊接,尤其适 用于地铁及高速列车制造行业薄壁不锈钢和铝合金等产品的焊接。

    4.华巍MZ系列IGBT逆变式自动埋弧焊机

    埋弧焊 是以连续送进的焊丝作为电极和填充金属。焊接时,在焊接 区的上面覆盖一层颗粒状的焊剂,电弧在焊剂层下燃烧,将焊丝 端部和局部母材熔化,形成焊缝。焊接电 源在焊丝和工件之间产生电弧,为熔化焊丝提供能量,同时送 丝机构将焊丝不断送入熔池,而焊剂 由集料漏斗送至焊接区。埋弧焊 机的应用范围很广,主要用于大中型工厂,例如造船、锅炉制造、钢结构 等产品的钢板对接、搭接、角焊缝及容器的环形、直线焊缝的焊接。焊机外形如图7所示。


    焊机主要功能特点:

⑴ 具恒流/恒压输出两种外特性,分别适用于粗丝/细丝埋弧焊接。
⑵ 高性能稳流/稳压控制技术,可确保电弧稳定性。
⑶ 具埋弧自动焊、焊条手工焊、碳弧气 刨一机三用功能。
⑷ 引弧电流、推力电流连续可调,焊接过程电流稳定,焊缝成型美观。
⑸ 焊接小车操作方便,送丝装置为双轮驱动,弹性压丝,可保证送丝平稳可靠。
⑹ 重量轻,体积小,便于移动。

    5.华巍NBM系列IGBT逆变式全数字脉冲MIG/MAG气体保护焊机

    90年代,奥地利Fronius公司推 出了全数字化焊机。近几年德国EWM、芬兰Kemppi、日本松下和OTC等公司 也陆续推出了相应的产品,其发展 趋势必将引起一场焊接设备的数字化革命,并将推 动整个焊接设备行业的技术进步,促使焊 接技术向着焊接工艺高效化、焊接质量控制智能化、焊接生 产过程机器人化的方向发展。随着数 字控制技术的发展,尤其是 数字信号处理器(DSP)的广泛应用,数字化 焊接电源的波形控制能力更为精确,这一技 术进步为广大焊接工作者提供了方便的新型焊接工艺研发手段,使新工艺、新设备 的更新换代成为可能。华巍公 司推出的全数字脉冲MIG/MAG气体保 护焊机主要有三种规格,分别为: NBM-350/500/630。焊机外形如图8所示。

    焊机主要功能特点:

⑴ 通过全数字控制,从小电 流到大电流都能获得持续稳定的焊接品质。
⑵ 采用操 作方便的轻触式面板,符合用户的使用习惯。
⑶ 数字显示焊接电流/电压,焊前可预置电流/电压参数。
⑷ 采用国 际上新的输出功率控制方法,使焊机 具有超群的焊接稳定性。
⑸ 可选择 单脉冲或双脉冲焊接,使铝及 铝合金和不锈钢焊缝成型更美观。
⑹ 具有一元化/分别调节转换功能。
⑺ 卓越的瞬时起弧控制,使起弧平稳顺利。
⑻ 收弧填弧坑控制,当焊接终了时,可使焊缝收弧点饱满。
⑼ 焊机富有4种功能:脉冲MIG/MAG焊;MIG/MAG焊;CO2焊;手工电弧焊。
⑽ 适应机 器人焊接和自动化焊接过程。
⑾ 主要用于铝及铝合金、铜及铜合金、不锈钢、高强钢 及低合金钢等材料的焊接。

    七.从2010年北京·埃森焊 接与切割展览会看中国逆变焊机产业的发展

    近年来,随着我 国国民经济的快速发展以及国家相关政策的支持,装备制 造业已经成为国民经济发展的基础性产业,这一产 业的大规模发展对焊接设备的需求将越来越大。从第一届北京·埃森焊 接与切割展览会起至今,这一焊 接行业的盛会已历经23年,在这23年里,展会和 金属加工杂志为焊接行业搭建了一个平台,让中国 的广大焊接工作者,焊接设 备制造企业有了一个很好的学习机会,开阔了眼界,使我们 看到了国际上先进的焊接工艺方法和焊接设备的发展方向,使中国 的焊接设备制造企业有了发展的目标。

    在这23年的历程中,我国焊 接设备制造企业的发展更是突飞猛进,从原来 只能生产老式的交流弧焊机、可控硅 弧焊机到现在第十五届展览会看到的先进逆变式电焊机产品。从今年 展会上可看到我国电焊机生产企业参展的产品正在向逆变化、数字化方向快速发展,推出的 逆变焊机产品种类齐全,几乎覆 盖了常用电焊机的范围,国外展 商有的产品国内展商也同样全面推出。国内展 商参展的产品在通用机型上的技术水平、产品焊 接性能等方面已经可以达到国外展商同类产品的水平。

    中国国 民经济的持续高速发展,极大地 推动了焊接设备制造业的发展。近年来,中国焊 接设备制造业也出现了大幅增长的良好趋势。几年前,当我国 电焊机制造企业论及国际市场或出口时,显得非 常陌生甚至感觉是天方夜谈,他们担 心的只是外企的进入对本土企业产生的巨大冲击;思索的 只是如何应对外企及国外产品的“入侵”。而今天,在第十五届北京·埃森焊 接与切割展览会期间,许多中 国参展企业的展台上不断看到来自世界各地的焊机代理商与中国的企业商谈产品出口事宜。今天,经历多年磨练和外企“入侵”考验的中国企业,逐步适应了发展潮流,自身实力不断壮大,眼光变得更远大。他们清醒地认识到,中国市 场不仅属于世界,世界也 应有中国的份额。可以说,过去那 种眼光局限于国内的时代已经一去不复返,现在迎来了更大、更富活力的国际市场,迎来了 与国外公司争夺市场的世界经济时代。

    中华民 族是世界上最勤劳、最聪慧的民族,伴随着 国家的日益强大和世界经济的自由化、全球化,中国企 业进入国际市场已不再是梦想。可以预测不久的将来,世界担 心的是中国经济对世界的影响过大,而中国 人担心的是世界各地的反倾销指控。

    在第十五届北京·埃森焊 接与切割展览会期间,我们看 到中国参展企业的展品品种不断增多,产品技 术水平与国外产品的差距正在不断缩小,中国企 业不仅提高了产品的市场竞争实力,而且正 在逐步打入国际市场,中国企 业的快速发展正在加速我国从焊接大国向焊接强国迈进的步伐。从这届 展览会上我们看到了中国焊接设备制造行业正在迅速崛起。

    衷心感 谢金属加工杂志多年来对中国逆变焊机新技术、新产品的宣传报导,可以说 杂志对中国逆变焊机行业的快速发展起到了推动作用,电焊机 行业的发展与媒体的大力宣传是分不开的,也衷心 祝贺杂志在创刊60周年之际,与中国工业、中国焊 接行业共同续写辉煌!

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