焊接是工业生产各部门的一项重要的共性技术和加工方法,广泛应用于机械制造与修理、车辆制造等。

随着生产的需要和科学技术的进步,各种焊接方法不断涌现,先后出现了气体保护焊、冷压焊、高频电阻焊、电渣焊、超声波焊、电子束焊、摩擦焊、等离子弧焊、爆炸焊、激光焊等20余种基本焊接方法。

在汽车工业中常用的焊机为电阻焊机及气体保护弧焊机。

因焊机不是连续工作,这就引出了负荷持续率的概念:对于电阻焊机:按国家规范,电阻焊机电源的负荷持续率为50%,当该值为50%时所允许的电流值和功率值为焊机的额定电流值和额定功率值,对于弧焊机,工作周期分为5min、10min、20min和连续,国标规定暂载率为35%、60%和100%。

电阻焊机在汽车工业上应用,主要是将冲压成形的薄板结构的车身覆盖件在其工件搭接连接处利用电阻热熔化金属形成焊点,将焊件联为一体。一台轿车车身的焊点约在3500~5000点之间。汽车车身点焊是电阻焊的主要形式之一,汽车车身焊装用的点焊设备约占全部电阻焊产品的90%左右。因此点焊设备是汽车厂焊接车间配电的核心问题,本文主要讨论点焊机。

1、点焊机的分类

用于汽车车身焊装用的点焊机主要有三类:普通点焊机、多点焊机和点焊机器人。

普通点焊机:是适用于各种场合、各类焊接对象的通用点焊设备,也是组成汽车焊装自动化生产线的主要设备。汽车焊装自动化生产线根据其年生产纲领、汽车年产量不同,每条生产线需普通点焊机几十台到几百台不等。普通点焊机根据机器结构和应用场合的不同又分为移动式点焊机和固定式点焊机;移动式点焊机根据其结构不同,又分为悬挂式点焊机和一体化悬挂焊钳(手提式点焊机)。

多点焊机:是为焊装特定工件设计、制造的专用焊接设备,其优点是生产效率高,适合大批量单品种生产,适用于焊装结构形状复杂、焊点密集、接头搭边小、操作困难、焊接质量难以保证等因素的工件。其缺点是设备投资多、专用性强,将逐步由焊接机器人和相应工装夹具组合取代。目前汽车行业使用较少。

机器人:无论在国际还是国内,近年来发展速度不断加快,应用领域越来越广,新技术不断采用,机器人数量越来越多。汽车厂使用的机器人主要用于搬运、焊接等工作。国外全部使用机器人的无人操作汽车厂屡见不鲜渐成主流,这也将是国内汽车工业发展到一定阶段的必然产物和发展方向。应用机器人不仅能进行复杂的工艺操作、适应恶劣工作环境,取代笨重、单调、重复的人工体力劳动,保证产品质量,提高工效、节约能源、安全生产、消除一切人为影响产品质量因素,还能迅速组成柔性生产系统,特别适宜于新产品开发和多品种生产需要,产品换型上马快、周期短、应变能力强。

2、点焊机的组成

无论哪种类型的点焊机,其结构均由三大部分组成:电源及控制装置(阻焊控制器)、能量转换装置(焊接变压器)和焊接执行机构(点焊钳或点焊枪)。上面提到的三种类型的点焊机,其主要区别在于焊接执行机构不同。普通点焊机是由工人手抱点焊钳逐点对工件焊接,多点焊机是由安装在多种形式机架上的多把点焊枪同时焊接,点焊机器人模仿人工动作使用安装在机械手臂上的点焊钳对工件焊接。

3、点焊机的电气特性

从电气专业的角度看,点焊机按工作原理分为交流、直流、脉冲三类。因汽车工业直流、脉冲焊机使用量很少,这里不做介绍,仅介绍目前广泛使用的单相交流工频焊机。

焊接变压器将电能变换成低电压,几伏到二十几伏;大电流,常用的轿车车身焊接电流约8000A到15000A,底盘和某些零部件需要的焊接电流还要大,同时焊接电流的通过时间很短,汽车工业点焊机焊接时间约为0.2~0.8s。

虽然要将焊机均衡安装到三相电源上,但设备工作的不确定性,无法保证三相电源平衡用电;多台焊机同时通电将使网压大幅度下降,功率因数降低,影响焊接质量;晶闸管元件的非线性使电源正弦波波形发生严重畸变,产生电磁谐波干扰。另外,单相交流电阻焊机尤其是分体式悬挂点焊机焊接时约90%以上的能量消耗在焊接回路(主要是通水焊接电缆)上,能源利用率极低。

移动式点焊机是汽车车身焊装自动化生产线上完成汽车车身组焊任务的主要设备,适用于焊接结构尺寸大、形状复杂、不便于移动的焊件和大型薄壁结构工件。移动式点焊机中的悬挂式点焊机又分为两种结构形式,一种是阻焊控制器与焊接变压器分开布置,控制器与焊接变压器使用软电缆进行电气连接的分体式悬挂点焊机,我国从苏联、日本等国引进的早期产品以及我国二十世纪九十年代产品均以此为主。另一种是同体式悬挂点焊机,将阻焊控制器和焊接变压器组装于一体,整机结构紧凑合理;节省使用空间、安装材料和动力管道,操作控制器方便;欧美国家均使用该形式焊机,也是目前我国移动式点焊机的主导产品。

两种焊机的焊接执行机构是完全相同的,都是由通水焊接电缆连接点焊钳传递焊接电流,通常配两把焊钳轮流工作。其优点为操作灵活方便、焊钳形式多样。缺点为焊接回路长、阻抗大、功率因数低(一般为0.3~0.5之间)、功率损耗大;同时通水焊接电缆由于在大电流情况下频繁扭曲使用,使通水焊接电缆成为该类焊机的主要“耗材”。

移动式点焊机中的一体化悬挂焊钳将焊接变压器与焊钳制造为一体,没有成本高、阻抗大、笨重的焊接电缆,也有叫做一体化或一体式点焊机的的。该类机型与分体式悬挂点焊机比较减轻重量约70%;借助于平衡器,焊机可在工作空间上任意移动位置,焊机本身也可作垂直或水平任意方向360°转动,焊接系统简便轻巧,操作轻便灵活,能实现全位置焊接。产生焊接电流的焊臂及电极采用插接结构安装于主机上,易拆卸易更换,因此,不同形状、不同长度的焊臂及电极可在同一焊机上互换使用,实现一机多用。由于焊接回路减少,焊机出力能力提高,与悬挂式点焊机比较,可节约电能75%以上,同时可减少水、气耗量,功率因数也大幅提高(一般为0.6~0.7之间)、,并可简化悬挂焊机的桁架结构,节省配套设备,例如供电站的功率以及动力电缆、空气开关的额定参数均可减小,节约安装材料和安装工时。由于该产品节能显著、性价比高,焊接电流出力大,其应用越来越广泛;尤其是在电网增容困难的汽车厂扩大产能工程中,一体化悬挂焊钳成为首选产品。

一体化悬挂焊钳容量主要为25kVA和40kVA,少部分为63kVA。从功率参数对比也可看出手提式点焊机的节能效果。

固定式点焊机除了在汽车整车厂得到应用外,还大量应用于汽车零部件制造厂。该焊机机身笨重、固定,人工或机器人夹持工件移动,完成焊接。装有凸焊电极台板、对事先预制好凸点的工件完成凸焊工作例如常见的凸焊螺钉螺母的焊机成为凸焊机。固定式点焊机焊接回路短、导电截面大,能获得较大的焊接功率和焊接电流。常用的有63kVA、100kVA和200kVA等功率参数焊机,能满足一般低碳钢材料焊接需要。

4、点焊机的配电设计

4.1保护元件的选择

点焊机保护元件的选择最核心的就是确定焊机的额定电流及额定暂载率,知道上述数据后就可以选择并整定熔断器/断路器的长延时电流及瞬动电流。这里以断路器为例说明如何计算。

Iset1=Kc1*Irh*√εh---------------公式(1)

Iset3=Kc3*Irh---------------公式(2)

式中:Iset1--------------断路器脱扣器长延时电流

Iset3--------------断路器脱扣器瞬动电流

Kc1------------断路器脱扣器长延时电流计算系数,电阻焊机取1.1

Kc3------------断路器脱扣器瞬动电流计算系数,电阻焊机取2.2

Irh------------焊机一次额定电流

εh-----------焊机额定暂载率

下面举例说明选择的方法(以常熟开关厂热磁塑壳产品为例):

某悬挂点焊机额定容量为160kVA,额定暂载率为20%,一次侧额定电流为Irh=160/0.38=421A.。

根据公式(1),Iset1=Kc1*Irh*√εh=1.1*421*√0.2=207A,据此选择断路器壳架电流225A,额定电流为225A。

根据公式(2),Iset3=Kc3*Irh=2.2*421=926.2A,瞬动时电流选择5*225=1125A。即选5倍In。

在实际设计中,经常出现的错误是把暂载率按焊机运行的实际暂载率(~10%)代入上述公式,而额定电流按额定暂载率下的电流进行进算。

举例如下:如DN-200KVA点焊机,额定容量为200kVA,电源为单相380V,其额定暂载率是20%。根据焊机额定容量的定义,在额定暂载率是20%时,其额定电流Irh=200/0.38=526.3A,ISET1=1.1*526.3*√0.2=258.9A(注意,配电设计手册中此规格有误),选择断路器壳架电流400A,额定电流为300A。而有人按工艺提资料中整个车间点焊机的实际运行暂载率进行算(约为10%),此时ISET1=1.1*526.3*√0.1=183A,选择断路器壳架电流225A,额定电流为200A,是错误的。

此计算方法导致了焊机达不到额定出力,因其在10%暂载率下其允许电流I10%=526.3*(√0.2/√0.1)=744.2A,没有考虑实际暂载率运行时其额定电流变大这个事实。如果焊机达到额定出力,开关将会跳闸。

另一个设计中经常出现的问题是一体化悬挂焊钳的配电设计。从前面叙述中可以看到,一体化悬挂电焊机因其节能而使用的越来越多,25kVA的一体化悬挂焊钳和125kVA和的悬挂电焊机性能相当。但该类焊机的额定暂载率为50%而不是20%,设计中很多设计人员未注意到该问题,断路器选择偏小,导致实际使用中断路器跳闸。

一体化悬挂焊钳开关选择如下:

25kVA:Iset1=Kc1*Irh*√εh=1.1*25/0.38*√0.5=51.2A,据此选择断路器壳架电流100A,额定电流为63A。

Iset3=Kc3*Irh=2.2*25/0.38=144.7A,瞬动时电流选择10*63=630A,即选10倍In(无5倍In产品)。

40kVA:Iset1=Kc1*Irh*√εh=1.1*40/0.38*√0.5=81.9A,据此选择断路器壳架电流100A,额定电流为100A。

Iset3=Kc3*Irh=2.2*40/0.38=231.6A,瞬动时电流选择5*100=500A,即选5倍In。

63kVA:Iset1=Kc1*Irh*√εh=1.1*63/0.38*√0.5=129A,据此选择断路器壳架电流225A,额定电流为160A。

Iset3=Kc3*Irh=2.2*63/0.38=364A,瞬动时电流选择5*160=800A,即选5倍In。

4.2点焊机电源线的选择

对于点焊机,因其为断续工作制,其电源线在额定暂载率下的载流量应大于额定持续率下的额定电流来选择,导线在额定暂载率下的载流量见<<工业与民用建筑配电设计手册>>第十二章。

举例如下:

悬挂点焊机额定容量为160kVA,额定暂载率为20%,一次侧额定电流为Irh=160/0.38=421A,选用YC型橡套软电缆,查手册可知:70mm2在暂载率20%温度35度(假设的环境温度)时,载流量为456A,满足使用要求。

同理悬挂点焊机额定容量为200kVA,额定暂载率为20%,一次侧额定电流为Irh=200/0.38=526A,选用YC型橡套软电缆,查手册可知:95mm2在暂载率20%温度35℃时,载流量为561A,满足使用要求。

另外当车间线路较长时,应注意校线路压降,焊机一般要求电压波动在+10%。

为使用方便,常用点焊机断路器及电缆选择见下表:

焊机



种类

焊机容量



kVA

额定电流



A

暂载率 断路器



壳架电流A

断路器



额定电流A

电缆规格



75 197.3 20 160 125 YC-2x25+YC-1x16
100 263.2 20 225 160 YC-2x35+YC-1x16
125 328.9 20 225 180 YC-2x50+YC-1x25
150 394.7 20 225 225 YC-2x70+YC-1x35
180 473.7 20 400 250 YC-2x95+YC-1x50
200 526.3 20 400 300 YC-2x95+YC-1x50
250 657.9 20 400 350 YC-2x120+YC-1x50
一体化



悬挂

焊钳

25 65.8 50 60 63 YC-3x16
40 105.3 50 100 100 YC-2x25+YC-1x16
63 165.8 50 225 160 YC-2x35+YC-1x16

5、气体保护电弧焊的分类

气体保护电弧焊根据电极是否熔化,可分为不熔化极(钨极)气体保护焊和熔化极气体保护焊;按照保护气体的种类不同可分为氩弧焊、氦弧焊、氢原子焊、二氧化碳气体保护焊等;按操作方式不同可分为手工、半自动、自动气体保护焊。

汽车工业中使用的气体保护弧焊机主要是CO2焊机,客车行业中大量采用。本文仅讨论CO2焊机。

二氧化碳气体保护焊是用二氧化碳作为保护气体,依靠焊丝与焊件间产生的电弧来熔化金属的一种气体保护焊方法,简称CO2焊。

6、CO2焊机的组成

焊接设备主要由电源、焊枪、送丝系统、供气系统等组成。电源的两端接在焊枪与工件上,盘状焊丝由送丝机构送入焊枪导电嘴内,随焊接过程的进行,焊丝不断向熔池送进,同时,保护气体由供气系统经过焊枪喷嘴不断喷出,形成保护气流,防止空气侵入熔池和电弧区内。随着焊枪的移动,熔池金属冷却,形成焊缝,焊件被焊接在一起。

7、CO2焊机的电气特性

CO2气体保护焊机的电源大都为直流电源。目前应用的有硅整流和逆变电源两大类。其电源外特性为平特性。这是因为平特性配合等速送丝系统有许多优点,可通过改变电源空载电压调节电弧电压;改变送丝速度调节焊接电流。焊接规范的调节比较方便。

CO2气体保护焊机的功率因数较高,一般为0.8。

8、CO2焊机的配电设计

8.1保护元件的选择

CO2焊机保护元件的选择与点焊机的计算方法相同,不同的仅是计算系数不同,Kc1取1.3,Kc3取3.7。举例如下:

某NBC型CO2焊机额定容量为18.1kVA,额定暂载率为60%,电源为三相380V,一次侧额定电流为Irh=18.1/(√0.3*0.38)=27.5A.。

根据公式(1),Iset1=Kc1*Irh*√εh=1.3*27.5*√0.6=27.7A,据此选择断路器壳架电流63A,额定电流为32A。

根据公式(2),Iset3=Kc3*Irh=3.7*27.7=102.5A,瞬动时电流选择10*63=630A。即选10倍In。

8.2电焊机电源线的选择

对于CO2焊机,因其额定暂载率很高,因此电缆载流量校正系数取1,按长期负载下载流量选择即可。

举例如下:

某NBC型CO2焊机额定容量为31.9kVA,额定暂载率为60%,电源为三相380V,一次侧额定电流为Irh=31.9/(√0.3*0.38)=48.5A.。选用YJV型橡套软电缆,查手册可知:10mm2在长期负载下温度35度时,载流量为72A,满足使用要求。

为使用方便,常用CO2焊机断路器及电缆选择见下表:

焊机容量kVA 额定电流A 暂载率 断路器壳架电流A 断路器额定电流A 电缆规格
7.6 11.6 60 63 20 YJV-4x4
18.1 27.5 60 63 40 YJV-4x10
31.9 48.5 60 63 63 YJV-4x16

9、焊接车间的负荷计算

焊接车间在进行负荷计算(干线及变电所)时,点焊机的暂载率的取值是个焦点问题,我院曾经按点焊机的额定暂载率进行负荷计算,导致变压器选择过大,经过工艺、电气人员的共同分析,认为实际工作中点焊机的暂载率是比较小的,一般情况下,点焊机的通电时间约为0.2s,两次通电间隔约为2s,相当于暂载率在8~15%之间。另外目前其他投产的工程给出的经验数据是:焊接车间焊机容量的1/8~10作为变压器的容量比较适当,经过折算,相当于暂载率在~15%(变电所同时系数取0.85)。因此计算时可根据各工程情况暂载率取在8~15%之间,变电所同时系数取0.85。