汽车工业常用焊机的电气特性及配电设计

一、引言

近年来，在一些焊接车间设计中，发现设计人员对焊机设备的工作原理及电气特性不清楚，导致对设备的配电导线及开关、车间的负荷计算等出现不当甚至错误。另外因为工艺专业对电气专业真正需要的数据不清晰，提资料也经常因人而异。为此，我所针对这种情况，编制出焊接车间设计的统一技术措施，并向工艺专业提出资料的规范化要求，使今后的设计更合理、规范化，以便提高工作效率和设计质量。

为使大家更好的了解工艺设备，本措施较详细的介绍了设备的工作原理及电气特性。

防雷接地部分详见<<防雷接地统一技术措施>>，这里不在赘述。

二、汽车工业常用焊机的电气特性及配电设计

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%。

对于其他任意负荷持续率下的焊接电流和额定功率可用等值发热量来进行换算：

式中：

A%，B%--------负荷持续率

I A ，I

B

------A%，B%负荷持续率下的焊接电流；

P A ，P

B

------ A%，B%负荷持续率下的焊接功率；

从上式可以看出，当负荷持续率上升时，允许的焊接电流及功率均减小。

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。

²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）。

²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。

²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。

单相交流工频焊机，其典型主电力回路见下图。主电力开关——晶闸管导通、关断50 Hz交流电。

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15000 A，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”。

下面为某公司销售数据：二十世纪九十年代七所高科公司销售的悬挂式点焊机产品70 % 以上为分体式悬挂点焊机，近年来悬挂式点焊机产品90 % 以上为同体式悬挂点焊机。从产品功率参数看，目前售出的悬挂式点焊机约70 % 为160 kVA 的，约30 % 为200 kVA 的。二十世纪九十年代常用的80 kVA、100 kVA以及125 kVA等功率焊机，近年来已无人订货。原因主要有两方面，一是新材料如镀锌钢板、高强度钢板、铝合金板的应用，迫使焊接电流要