高频焊接技术简介

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1、高 频 焊 接 技 术 简 介高 频 焊 接 起 源 于 上 世 纪 五 十 年 代 ， 它 是 利 用 高 频 电 流 所 产 生 的 集 肤 效 应和 相 邻 效 应 ， 将 钢 板 和 其 它 金 属 材 料 对 接 起 来 的 新 型 焊 接 工 艺 。 高 频 焊 接 技术 的 出 现 和 成 熟 ， 直 接 推 动 了 直 缝 焊 管 产 业 的 巨 大 发 展 ， 它 是 直 缝 焊 管（ ERW） 生 产 的 关 键 工 序 。 高 频 焊 接 质 量 的 好 坏 ， 直 接 影 响 到 焊 管 产 品 的 整 体强 度 ， 质 量 等 级 和 生 产 速 度 。 作 为 焊

2、管 生 产 制 造 者 ， 必 须 深 刻 了 解 高 频 焊 接 的 基 本 原 理 ； 了 解 高 频 焊接 设 备 的 结 构 和 工 作 原 理 ； 了 解 高 频 焊 接 质 量 控 制 的 要 点 。1 高 频 焊 接 的 基 本 原 理所 谓 高 频 ， 是 相 对 于 50Hz 的 交 流 电 流 频 率 而 言 的 ， 一 般 是 指50KHz 400KHz 的 高 频 电 流 。 高 频 电 流 通 过 金 属 导 体 时 ， 会 产 生 两 种 奇 特 的效 应 ： 集 肤 效 应 和 邻 近 效 应 ， 高 频 焊 接 就 是 利 用 这 两 种 效 应 来 进 行 金

3、 属 管 的焊 接 。 那 么 ， 这 两 个 效 应 是 怎 么 回 事 呢 ？ 集 肤 效 应 ： 是 指 以 一 定 频 率 的 交 流 电 流 通 过 同 一 个 导 体 时 ， 电 流 的 密 度不 是 均 匀 地 分 布 于 导 体 的 所 有 截 面 的 ， 它 会 主 要 向 导 体 的 表 面 集 中 ， 即 电 流在 导 体 表 面 的 密 度 大 ， 在 导 体 内 部 的 密 度 小 ， 所 以 我 们 形 象 地 称 之 为 ： “集肤 效 应 ”。 集 肤 效 应 通 常 用 电 流 的 穿 透 深 度 来 度 量 ， 穿 透 深 度 值 越 小 ， 集 肤效 应

4、越 显 著 。 这 穿 透 深 度 与 导 体 的 电 阻 率 的 平 方 根 成 正 比 ， 与 频 率 和 磁 导 率的 平 方 根 成 反 比 。 通 俗 地 说 ， 频 率 越 高 ， 电 流 就 越 集 中 在 钢 板 的 表 面 ； 频 率越 低 ， 表 面 电 流 就 越 分 散 。 必 须 注 意 ： 钢 铁 虽 然 是 导 体 ， 但 它 的 磁 导 率 会 随着 温 度 升 高 而 下 降 ， 就 是 说 ， 当 钢 板 温 度 升 高 的 时 候 ， 磁 导 率 会 下 降 ， 集 肤效 应 会 减 小 。邻 近 效 应 ： 是 指 高 频 电 流 在 两 个 相 邻 的

5、 导 体 中 反 向 流 动 时 ， 电 流 会 向 两个 导 体 相 近 的 边 缘 集 中 流 动 ， 即 使 两 个 导 体 另 外 有 一 条 较 短 的 边 ， 电 流 也 并不 沿 着 较 短 的 路 线 流 动 ， 我 们 把 这 种 效 应 称 为 ： “邻 近 效 应 ”。 邻 近 效 应 本 质 上 是 由 于 感 抗 的 作 用 ， 感 抗 在 高 频 电 流 中 起 主 导 的 作 用 。邻 近 效 应 随 着 频 率 增 高 和 相 邻 导 体 的 间 距 变 近 而 增 高 ， 如 果 在 邻 近 导 体 周 围再 加 上 一 个 磁 心 ， 那 么 高 频 电 流

6、 将 更 集 中 于 工 件 的 表 层 。 这 两 种 效 应 是 实 现 金 属 高 频 焊 接 的 基 础 。 高 频 焊 接 就 是 利 用 了 集 肤 效 应使 高 频 电 流 的 能 量 集 中 在 工 件 的 表 面 ； 而 利 用 了 邻 近 效 应 来 控 制 高 频 电 流 流动 路 线 的 位 置 和 范 围 。 电 流 的 速 度 是 很 快 的 ， 它 可 以 在 很 短 的 时 间 内 将 相 邻的 钢 板 边 部 加 热 ， 熔 融 ， 并 通 过 挤 压 实 现 对 接 。2 高 频 焊 接 设 备 的 结 构 和 工 作 原 理了 解 了 高 频 焊 接 原

7、理 ， 还 得 要 有 必 要 的 技 术 手 段 来 实 现 它 。 高 频 焊 接 设备 就 是 用 于 实 现 高 频 焊 接 的 电 气 机 械 系 统 ， 高 频 焊 接 设 备 是 由 高 频 焊 接 机和 焊 管 成 型 机 组 成 的 。 其 中 高 频 焊 接 机 一 般 由 高 频 发 生 器 和 馈 电 装 置 二 个 部分 组 成 ， 它 的 作 用 是 产 生 高 频 电 流 并 控 制 它 ； 成 型 机 由 挤 压 辊 架 组 成 ， 它 的作 用 是 将 被 高 频 电 流 熔 融 的 部 分 加 以 挤 压 ， 排 除 钢 板 表 面 的 氧 化 层 和 杂

8、质 ，使 钢 板 完 全 熔 合 成 一 体 。 高 频 发 生 器 过 去 的 焊 管 机 组 上 使 用 高 频 发 生 器 是 三 回 路 的 ： 高 频 发 电 机组 ； 固 体 变 频 器 ； 电 子 高 频 振 荡 器 ， 后 来 基 本 上 都 改 进 为 单 回 路 的 了 。 调 节高 频 振 荡 器 输 出 功 率 的 方 法 有 多 种 ， 如 自 耦 变 压 器 ， 电 抗 法 ， 晶 闸 管 法 等 。 馈 电 装 置 这 是 为 了 向 管 子 传 送 高 频 电 流 用 的 ， 包 括 电 极 触 头 ， 感 应 圈 和阻 抗 器 。 接 触 焊 中 一 般 采

9、用 耐 磨 的 铜 钨 合 金 的 电 极 触 头 ， 感 应 焊 中 采 用 的 是紫 铜 制 的 感 应 圈 。 阻 抗 器 的 主 要 元 件 是 磁 心 ， 它 的 作 用 是 增 加 管 子 表 面 的 感抗 ， 以 减 少 无 效 电 流 ， 提 高 焊 接 速 度 。 阻 抗 器 的 磁 心 采 用 铁 氧 体 ， 要 求 它 的居 里 点 温 度 不 低 于 310， 居 里 点 温 度 是 磁 心 的 重 要 指 标 ， 居 里 点 温 度 越 高 ，就 能 靠 得 离 焊 缝 越 近 ， 靠 得 越 近 ， 焊 接 效 率 也 越 高 。 近 年 来 ， 世 界 上 一 些

10、 大 公 司 开 始 采 用 了 固 态 模 块 式 结 构 ， 大 大 提 高 了 焊接 可 靠 性 ， 保 证 了 焊 接 质 量 。 如 EFD 公 司 设 计 的 WELDAC G2 800 高 频 焊 机 由以 下 部 分 组 成 ： 整 流 及 控 制 单 元 （ CRU） ， 逆 变 器 ， 匹 配 及 补 偿 单 元（ IMC） ， CRU 与 IMC 间 的 直 流 电 缆 ， IMC 到 线 圈 或 接 触 组 件 。 机 器 的 两 个 主 要 部 分 是 CRU 及 IMC。 CRU 包 括 一 个 带 有 主 隔 绝 开 关 及 一个 全 桥 二 极 管 整 流 器

11、的 整 流 部 分 （ 它 把 交 流 电 转 换 为 直 流 电 ） ， 一 个 带 有 控制 装 置 及 外 部 控 制 设 备 界 面 的 控 制 器 。 IMC 包 括 逆 变 器 模 块 ， 一 个 匹 配 变 压器 以 及 一 个 用 于 为 感 应 线 圈 提 供 必 需 的 无 功 功 率 的 电 容 组 。 主 供 电 电 压 （ 3 相 480V） ， 通 过 主 隔 绝 开 关 被 送 到 主 整 流 器 中 。 在 主 整流 器 中 ， 主 电 压 被 转 换 为 640V 的 直 流 电 并 且 通 过 母 线 与 主 直 流 线 缆 相 连 接 。直 流 电 通 过

12、 由 数 个 并 联 电 缆 组 成 的 直 流 电 输 送 线 被 送 到 IMC。 DC 线 缆 在 IMC单 元 母 线 上 终 止 。 逆 变 部 分 的 逆 变 器 模 块 通 过 高 速 直 流 保 险 同 DC 母 线 以 并联 方 式 连 接 在 一 起 。 DC 电 容 也 与 DC 母 线 连 接 在 一 起 。 每 个 逆 变 器 模 块 构 成 一 个 全 桥 IGBT 三 极 管 逆 变 器 。 三 极 管 的 驱 动 电 路则 在 逆 变 器 模 块 内 的 一 个 印 刷 电 路 板 上 。 直 流 电 由 逆 变 器 变 为 高 频 交 流 电 。根 据 具 体

13、 的 负 载 ， 交 流 电 的 频 率 范 围 在 100-150KH 范 围 之 间 。 为 根 据 负 载 对逆 变 器 进 行 调 整 ， 所 有 逆 变 器 都 以 并 联 方 式 同 匹 配 变 压 器 连 接 。 变 压 器 有 数个 并 联 的 主 绕 组 ， 及 一 个 副 绕 组 。 变 压 器 的 匝 数 比 是 固 定 的 。 输 出 电 容 由 数 个 并 联 电 容 模 块 组 成 。 电 容 器 以 串 联 方 式 同 感 应 线 圈 相 连接 ， 因 此 输 出 电 路 也 是 串 联 补 偿 的 。 电 容 器 的 作 用 是 根 据 感 应 线 圈 对 无

14、功 功率 的 要 求 进 行 补 偿 ， 及 通 过 此 补 偿 来 使 输 出 电 路 的 共 振 频 率 达 到 所 要 求 的 数值 。 频 率 控 制 系 统 被 设 计 用 来 使 三 极 管 始 终 工 作 在 系 统 的 共 振 频 率 上 。 共 振频 率 通 过 测 量 输 出 电 流 的 频 率 确 定 。 此 频 率 随 即 被 用 来 作 为 开 通 三 极 管 的 时基 信 号 。 三 极 管 驱 动 卡 向 每 个 逆 变 器 模 块 上 的 每 个 三 极 管 发 送 信 号 来 控 制 三极 管 何 时 开 通 ， 何 时 关 断 。 感 应 加 热 系 统 的

15、 输 出 功 率 控 制 是 通 过 控 制 逆 变 器 的 输 出 电 流 来 控 制 的 。上 述 控 制 是 通 过 一 个 用 来 控 制 三 极 管 驱 动 器 的 功 率 控 制 卡 完 成 的 。 输 出 功 率 参 考 值 由 IMC 操 纵 面 板 上 的 功 率 参 考 电 位 计 给 出 ， 或 者 由 外 部控 制 面 板 输 出 给 控 制 系 统 。 此 数 值 被 传 送 给 系 统 控 制 器 后 ， 将 与 由 整 流 单 元测 量 系 统 测 量 出 的 DC 功 率 数 值 相 比 较 。 控 制 器 包 括 一 个 限 定 功 能 ， 它 可 以根 据

16、参 考 功 率 值 与 DC 功 率 测 量 值 的 比 较 结 果 计 算 出 一 个 新 的 输 出 电 流 设 定 值 。控 制 器 计 算 出 来 的 输 出 功 率 设 定 值 被 送 到 功 率 控 制 卡 ， 此 控 制 卡 将 根 据 新 的设 定 值 来 限 定 输 出 电 流 。 报 警 系 统 根 据 IMC 中 报 警 卡 的 输 入 信 号 及 IMC， CRU 中 的 各 类 监 视 设 备发 出 的 信 号 来 工 作 。 报 警 将 显 示 在 工 作 台 上 。 控 制 及 整 流 器 单 元 （ CRU） 逆 变 器 ， 匹 配 及 补 偿 单 元 (IMC) 直 流 线 缆 输 出 功 率 总 线 ， 线 圈 及 接 触 头 连 接 冷 却 系 统 安 装 在 一 个 自 支 撑 钢 框 架 内 ， 所 有 部 件 联 结 成 为 一 个 完 整 的 单元 。 系 统 包 括 ： 带 有 电 机 的 循 环 泵 ， 热 交 换 器 （ 水 /水 ） ， 补 偿