1、引言 近年來，在一些焊接車間設計中，發(fā)現(xiàn)設計人員對焊機設備的工作原理及電氣特性不清楚， 導致對設備的配電導線及開關、車間的負荷計算等出現(xiàn)不當甚至錯誤。另外因為工藝專業(yè)對 電氣專業(yè)真正需要的數(shù)據(jù)不清晰，提資料也經(jīng)常因人而異。為此，我所針對這種情況，編制 出焊接車間設計的統(tǒng)一技術措施，并向工藝專業(yè)提出資料的規(guī)化要求， 使今后的設計更合理、 規(guī)化，以便提高工作效率和設計質(zhì)量。為使大家更好的了解工藝設備，本措施較詳細的介紹了設備的工作原理及電氣特性。防雷接地部分詳見 << 防雷接地統(tǒng)一技術措施 >>,這里不在贅述。二、汽車工業(yè)常用焊機的電氣特性及配電設計焊接是工業(yè)生產(chǎn)各部門的一

2、項重要的共性技術和加工方法，廣泛應用于機械制造與修理、車 輛制造等。隨著生產(chǎn)的需要和科學技術的進步，各種焊接方法不斷涌現(xiàn)，先后出現(xiàn)了氣體保護焊、冷壓 焊、高頻電阻焊、電渣焊、超聲波焊、電子束焊、摩擦焊、等離子弧焊、爆炸焊、激光焊等 20余種基本焊接方法。在汽車工業(yè)中常用的焊機為電阻焊機及氣體保護弧焊機。因焊機不是連續(xù)工作，這就引出了負荷持續(xù)率的概念：對于電阻焊機：按國家規(guī)，電阻焊機電源的負荷持續(xù)率為50%當該值為50%寸所允許的電流值和功率值為焊機的額定電流值和額定功率值，對于弧焊機，工作周期分為5mi n、10mi n、20min和連續(xù)，國標規(guī)定暫載率為 35% 60唏口 100%對于其他任

3、意負荷持續(xù)率下的焊接電流和額定功率可用等值發(fā)熱量來進行換算：式中：A% B% 負荷持續(xù)率Ia, Ib -A% , B頒荷持續(xù)率下的焊接電流；PA, Pb- A% , B頒荷持續(xù)率下的焊接功率；從上式可以看出，當負荷持續(xù)率上升時，允許的焊接電流及功率均減小。電阻焊機在汽車工業(yè)上應用，主要是將沖壓成形的薄板結(jié)構(gòu)的車身覆蓋件在其工件搭接連接 處利用電阻熱熔化金屬形成焊點，將焊件聯(lián)為一體。一臺轎車車身的焊點約在35005000點之間。汽車車身點焊是電阻焊的主要形式之一，汽車車身焊裝用的點焊設備約占全部電阻焊 產(chǎn)品的90 %左右。因此點焊設備是汽車廠焊接車間配電的核心問題，本文主要討論點焊機。1、點焊機

4、的分類用于汽車車身焊裝用的點焊機主要有三類：普通點焊機、多點焊機和點焊機器人。2普通點焊機是適用于各種場合、各類焊接對象的通用點焊設備，也是組成汽車焊裝自動化生產(chǎn)線的主要 設備。汽車焊裝自動化生產(chǎn)線根據(jù)其年生產(chǎn)綱領、汽車年產(chǎn)量不同，每條生產(chǎn)線需普通點焊 機幾十臺到幾百臺不等。普通點焊機根據(jù)機器結(jié)構(gòu)和應用場合的不同又分為移動式點焊機和 固定式點焊機；移動式點焊機根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，又分為懸掛式點焊機和一體化懸掛焊鉗（手提式點焊機）。2多點焊機是為焊裝特定工件設計、制造的專用焊接設備，其優(yōu)點是生產(chǎn)效率高，適合大批量單品種生 產(chǎn)，適用于焊裝結(jié)構(gòu)形狀復雜、焊點密集、接頭搭邊小、操作困難、焊接質(zhì)量難以保證等

5、因 素的工件。其缺點是設備投資多、專用性強，將逐步由焊接機器人和相應工裝夾具組合取代 目前汽車行業(yè)使用較少。2 機器人 無論在國際還是國，近年來發(fā)展速度不斷加快，應用領域越來越廣，新技術不斷采用，機器人數(shù)量越來越多。汽車廠使用的機器人主要用于搬運、焊接等工作。國外全部使用機器人的 無人操作汽車廠屢見不鮮漸成主流，這也將是國汽車工業(yè)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物和發(fā)展 方向。應用機器人不僅能進行復雜的工藝操作、適應惡劣工作環(huán)境，取代笨重、單調(diào)、重復 的人工體力勞動，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高工效、節(jié)約能源、安全生產(chǎn)、消除一切人為影響產(chǎn)品 質(zhì)量因素，還能迅速組成柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，特別適宜于新產(chǎn)品開發(fā)和多品種生產(chǎn)需要

6、，產(chǎn)品換 型上馬快、周期短、應變能力強。2、點焊機的組成無論哪種類型的點焊機，其結(jié)構(gòu)均由三大部分組成：電源及控制裝置（阻焊控制器）、能 量轉(zhuǎn)換裝置（焊接變壓器）和焊接執(zhí)行機構(gòu)（點焊鉗或點焊槍）。上面提到的三種類型的點 焊機，其主要區(qū)別在于焊接執(zhí)行機構(gòu)不同。 普通點焊機是由工人手抱點焊鉗逐點對工件焊接, 多點焊機是由安裝在多種形式機架上的多把點焊槍同時焊接，點焊機器人模仿人工動作使用 安裝在機械手臂上的點焊鉗對工件焊接。3、點焊機的電氣特性從電氣專業(yè)的角度看，點焊機按工作原理分為交流、直流、脈沖三類。因汽車工業(yè)直流、脈 沖焊機使用量很少，這里不做介紹，僅介紹目前廣泛使用的單相交流工頻焊機。單相交

7、流工頻焊機，其典型主電力回路見下圖。主電力開關一一晶閘管導通、關斷50 Hz交流電。焊接變壓器將電能變換成低電壓，幾伏到二十幾伏；大電流，常用的轎車車身焊接電流約8000A 到15000 A，底盤和某些零部件需要的焊接電流還要大，同時焊接電流的通過時間很短，汽 車工業(yè)點焊機焊接時間約為0.20.8s。雖然要將焊機均衡安裝到三相電源上，但設備工作的不確定性，無法保證三相電源平衡用電；多臺焊機同時通電將使網(wǎng)壓大幅度下降，功率因數(shù)降低，影響焊接質(zhì)量；晶閘管元件的非線 性使電源正弦波波形發(fā)生嚴重畸變，產(chǎn)生電磁諧波干擾。另外，單相交流電阻焊機尤其是分 體式懸掛點焊機焊接時約90 %以上的能量消耗在焊接回

8、路（主要是通水焊接電纜）上，能 源利用率極低。移動式點焊機是汽車車身焊裝自動化生產(chǎn)線上完成汽車車身組焊任務的主要設備，適用于焊 接結(jié)構(gòu)尺寸大、形狀復雜、不便于移動的焊件和大型薄壁結(jié)構(gòu)工件。移動式點焊機中的懸掛 式點焊機又分為兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是阻焊控制器與焊接變壓器分開布置，控制器與焊接變 壓器使用軟電纜進行電氣連接的 分體式懸掛點焊機，我國從蘇聯(lián)、日本等國引進的早期產(chǎn)品 以及我國二十世紀九十年代產(chǎn)品均以此為主。另一種是同體式懸掛點焊機，將阻焊控制器和焊接變壓器組裝于一體，整機結(jié)構(gòu)緊湊合理；節(jié)省使用空間、安裝材料和動力管道，操作控 制器方便；歐美國家均使用該形式焊機，也是目前我國移動式點焊機的

9、主導產(chǎn)品。兩種焊機 的焊接執(zhí)行機構(gòu)是完全相同的，都是由通水焊接電纜連接點焊鉗傳遞焊接電流，通常配兩把 焊鉗輪流工作。其優(yōu)點為操作靈活方便、焊鉗形式多樣。缺點為焊接回路長、阻抗大、功率 因數(shù)低（一般為0.30.5之間）、功率損耗大；同時通水焊接電纜由于在大電流情況下頻繁 扭曲使用，使通水焊接電纜成為該類焊機的主要“耗材”。下面為某公司銷售數(shù)據(jù)：二十世紀九十年代七所高科公司銷售的懸掛式點焊機產(chǎn)品70 %以上為分體式懸掛點焊機，近年來懸掛式點焊機產(chǎn)品90 %以上為同體式懸掛點焊機。從產(chǎn)品功率參數(shù)看，目前售出的懸掛式點焊機約70 %為160 kVA的，約30 %為200 kVA的。二十世紀九十年代常用

10、的80 kVA、100 kVA以及125 kVA等功率焊機，近年來已無人訂貨。原 因主要有兩方面，一是新材料如鍍鋅鋼板、高強度鋼板、鋁合金板的應用，迫使焊接電流要 增加很多；二是考慮到懸掛式點焊機的壽命一般都在十年以上，但焊接變壓器的阻會逐年增 加，導致最大出力逐年減少，所以訂貨時留有余量。移動式點焊機中的一體化懸掛焊鉗 將焊接變壓器與焊鉗制造為一體，沒有成本高、阻抗大、 笨重的焊接電纜，也有叫做 一體化或一體式點焊機 的的。該類機型與分體式懸掛點焊機比較 減輕重量約70 %借助于平衡器，焊機可在工作空間上任意移動位置，焊機本身也可作垂直 或水平任意方向360。轉(zhuǎn)動，焊接系統(tǒng)簡便輕巧，操作輕便

11、靈活，能實現(xiàn)全位置焊接。產(chǎn)生 焊接電流的焊臂及電極采用插接結(jié)構(gòu)安裝于主機上，易拆卸易更換，因此，不同形狀、不同 長度的焊臂及電極可在同一焊機上互換使用，實現(xiàn)一機多用。由于焊接回路減少，焊機出力 能力提高，與懸掛式點焊機比較，可節(jié)約電能 75 %以上，同時可減少水、氣耗量，功率因 數(shù)也大幅提高（一般為0.60.7之間）、，并可簡化懸掛焊機的桁架結(jié)構(gòu)，節(jié)省配套設備， 例如供電站的功率以及動力電纜、 空氣開關的額定參數(shù)均可減小，節(jié)約安裝材料和安裝工時。 由于該產(chǎn)品節(jié)能顯著、性價比高，焊接電流出力大，其應用越來越廣泛；尤其是在電網(wǎng)增容 困難的汽車廠擴大產(chǎn)能工程中， 一體化懸掛焊鉗成為首選產(chǎn)品。一體化懸

12、掛焊鉗容量主要為25 kVA和40 kVA少部分為63 kVA。從功率參數(shù)對比也可看出 手提式點焊機的節(jié)能效果。固定式點焊機除了在汽車整車廠得到應用外，還大量應用于汽車零部件制造廠。該焊機機身 笨重、固定，人工或機器人夾持工件移動，完成焊接。裝有凸焊電極臺板、對事先預制好凸 點的工件完成凸焊工作例如常見的凸焊螺釘螺母的焊機成為凸焊機。固定式點焊機焊接回路 短、導電截面大，能獲得較大的焊接功率和焊接電流。常用的有63 kVA 100 kVA和 200 kVA等功率參數(shù)焊機，能滿足一般低碳鋼材料焊接需要。4、點焊機的配電設計4.1保護元件的選擇點焊機保護元件的選擇最核心的就是確定焊機的額定電流及額

13、定暫載率，知道上述數(shù)據(jù)后就 可以選擇并整定熔斷器/斷路器的長延時電流及瞬動電流。這里以斷路器為例說明如何計算Iset仁Kc1*lrh*V£ h 公式(1)lset3=Kc3*lrh 公式（2）式中：Isetl 斷路器脫扣器長延時電流Iset3 斷路器脫扣器瞬動電流Kc1 斷路器脫扣器長延時電流計算系數(shù)，電阻焊機取1.1Kc3 斷路器脫扣器瞬動電流計算系數(shù)，電阻焊機取2.2Irh 焊機一次額定電流e h 焊機額定暫載率下面舉例說明選擇的方法（以常熟開關廠熱磁塑殼產(chǎn)品為例）：某懸掛點焊機額定容量為160kVA,額定暫載率為20%, 一次側(cè)額定電流為lrh=160/0.38=421A.。根

14、據(jù)公式（1）, Iset1=Kc1*Irh*h=1.1*421* V0.2=207A,據(jù)此選擇斷路器殼架電流 225A,額定電流為225A根據(jù)公式（2）, Iset3=Kc3*Irh =2.2*421=926.2A，瞬動時電流選擇 5*225=1125A。即選 5倍In。在實際設計中，經(jīng)常出現(xiàn)的錯誤是把暫載率按焊機運行的實際暫載率（10%代入上述公式，而額定電流按額定暫載率下的電流進行進算。舉例如下：如DN-200KVA點焊機，額定容量為200kVA,電源為單相380V,其額定暫載率是20% 根據(jù)焊機額定容量的定義，在額定暫載率是20%寸，其額定電流lrh=200/0.38=526.3A ,I

15、SET仁V0.2 =258.9A（注意，配電設計手冊中此規(guī)格有誤），選擇斷路器殼架電流400A,額定電流為300A。而有人按工藝提資料中整個車間點焊機的實際運行暫載率進行算 （約 為10%，此時V0.1 =183A選擇斷路器殼架電流225A,額定電流為200A, 是錯誤的。此計算方法導致了焊機達不到額定出力，因其在10%f載率下其允許電流I10%=526.3* （V0.2/ V0.1 ） =744.2A，沒有考慮實際暫載率運行時其額定電流變大這個事實。如果焊機達到 額定出力，開關將會跳閘。另一個設計中經(jīng)常出現(xiàn)的問題是一體化懸掛焊鉗的配電設計。從前面敘述中可以看到，一體 化懸掛電焊機因其節(jié)能而使

16、用的越來越多，25 kVA的一體化懸掛焊鉗和125 kVA和的懸掛電焊機性能相當。但該類焊機的額定暫載率為50燦不是20%設計中很多設計人員未注意到 該問題，斷路器選擇偏小，導致實際使用中斷路器跳閘。一體化懸掛焊鉗開關選擇如下：25kVA: Iset仁Kc1*lrh* V£ h=1.1*25/0.38* V0.5=51.2A，據(jù)此選擇斷路器殼架電流 100A, 額定電流為63A。lset3=Kc3*lrh =2.2*25/0.38=144.7A,瞬動時電流選擇 10*63=630A,即選 10 倍 In （無 5 倍In產(chǎn)品）。40kVA: Iset仁Kc1*lrh*V£

17、h=1.1*40/0.38* V0.5=81.9A，據(jù)此選擇斷路器殼架電流 100A,額定電流為100A。Iset3=Kc3*Irh =2.2*40/0.38=231.6A,瞬動時電流選擇 5*100=500A,即選 5倍 In。63kVA: Iset 仁Kc1*lrh*h=1.1*63/0.38* V 0.5=129A,據(jù)此選擇斷路器殼架電流225A額定電流為160AIset3=Kc3*Irh =2.2*63/0.38=364A, 瞬動時電流選擇 5*160=800A,即選 5倍 In。4.2點焊機電源線的選擇對于點焊機，因其為斷續(xù)工作制，其電源線在額定暫載率下的載流量應大于額定持續(xù)率下的額

18、定電流來選擇，導線在額定暫載率下的載流量見<<工業(yè)與民用建筑配電設計手冊 >>第十卡才早。舉例如下：懸掛點焊機額定容量為160kVA,額定暫載率為20% 一次側(cè)額定電流為Irh=160/0.38=421A， 選用YC型橡套軟電纜，查手冊可知：70mm在暫載率20%度35度（假設的環(huán)境溫度）時，載 流量為456A,滿足使用要求。同理懸掛點焊機額定容量為200kVA,額定暫載率為20% 一次側(cè)額定電流為I rh=200/0.38=526A，選用YC型橡套軟電纜，查手冊可知：95m在暫載率20%度35C時， 載流量為561A,滿足使用要求。另外當車間線路較長時，應注意校線路壓

19、降，焊機一般要求電壓波動在+10%為使用方便，常用點焊機斷路器及電纜選擇見下表:焊機焊機容量kVA額定電流暫載斷路器殼架斷路器額定電纜規(guī)格種類A率電流A電流A懸75197.320160125YC-2x25+YC-1x16掛100263.220225160YC-3x35+YC-1x16125328.920225180YC-2x50+YC-1x25占八、150394.720225225YC-2x70+YC-1x35焊180473.720400250YC-2x95+YC-1x50200526.320400300YC-2x95+YC-1x50機250657.920400350YC-2x120+YC-1

20、x50一體2565.8506363YC-3x16化懸40105.350100100YC-2x25+YC-1x16掛焊鉗63165.850225160YC-2x35+YC-1x165、氣體保護電弧焊的分類氣體保護電弧焊根據(jù)電極是否熔化，可分為不熔化極（鎢極）氣體保護焊和熔化極氣體保護 焊；按照保護氣體的種類不同可分為氬弧焊、氦弧焊、氫原子焊、二氧化碳氣體保護焊等； 按操作方式不同可分為手工、半自動、自動氣體保護焊。汽車工業(yè)中使用的氣體保護弧焊機主要是 C02旱機，客車行業(yè)中大量采用。本文僅討 論C02旱機。二氧化碳氣體保護焊是用二氧化碳作為保護氣體，依靠焊絲與焊件間產(chǎn)生的電弧來熔化金 屬的一種氣

21、體保護焊方法，簡稱 C02焊。氣體保護焊的焊接過程見下圖。6 C02旱機的組成 焊接設備主要由電源、焊槍、送絲系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等組成。電源的兩端接在焊槍與工件上， 盤狀焊絲由送絲機構(gòu)送入焊槍導電嘴，隨焊接過程的進行，焊絲不斷向熔池送進，同時，保 護氣體由供氣系統(tǒng)經(jīng)過焊槍噴嘴不斷噴出，形成保護氣流，防止空氣侵入熔池和電弧區(qū)。隨 著焊槍的移動，熔池金屬冷卻，形成焊縫，焊件被焊接在一起。7、C02旱機的電氣特性C02氣體保護焊機的電源大都為直流電源。目前應用的有硅整流和逆變電源兩大類。其電源 外特性為平特性。這是因為平特性配合等速送絲系統(tǒng)有許多優(yōu)點，可通過改變電源空載電壓 調(diào)節(jié)電弧電壓；改變送絲速度調(diào)

22、節(jié)焊接電流。焊接規(guī)的調(diào)節(jié)比較方便。C02氣體保護焊機的功率因數(shù)較高，一般為 0.8。8、CO2旱機的配電設計8.1保護元件的選擇C02旱機保護元件的選擇與點焊機的計算方法相同，不同的僅是計算系數(shù)不同，Kc1取1.3，Kc3取3.7。舉例如下：某NBC型CO2旱機額定容量為18.1kVA,額定暫載率為60%電源為三相380V, 次側(cè)額定 電流為 5=18.1/ （V） =27.5A.。根據(jù)公式（1），Iset1=KC1*I rh*hV0.6=27.7A,據(jù)此選擇斷路器殼架電流 63A,額 定電流為32A。根據(jù)公式（2），Iset3=Kc3*I rh 瞬動時電流選擇 10*63=630A。即選 1

23、0 倍 In。8.2電焊機電源線的選擇對于CO2旱機，因其額定暫載率很高，因此電纜載流量校正系數(shù)取1,按長期負載下載流量選擇即可。舉例如下:某NBC型 C02旱機額定容量為31.9kVA,額定暫載率為60%電源為三相380V, 次側(cè)額定電流為lm=319 （V） =48.5A.。選用YJV型橡套軟電纜，查手冊可知：10mii在長期負載下溫度35度時，載流量為72A,滿足使用要求。為使用方便，常用C02旱機斷路器及電纜選擇見下表：焊機容量kVA額定電流A暫載率斷路器殼架電流A斷路器額定電流A電纜規(guī)格7.611.6606320YJV-4X418.127.5606340YJV-4X1031.948.

24、5606363YJV-4X16三、焊接車間的負荷計算焊接車間在進行負荷計算（干線及變電所）時，點焊機的暫載率的取值是個焦點問題， 我院曾經(jīng)按點焊機的額定暫載率進行負荷計算，導致變壓器選擇過大，經(jīng)過工藝、電氣人員 的共同分析，認為實際工作中點焊機的暫載率是比較小的，一般情況下，點焊機的通電時間 約為0.2s,兩次通電間隔約為2s,相當于暫載率在815%之間。另外目前其他投產(chǎn)的工程給 出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)是：焊接車間焊機容量的1/810作為變壓器的容量比較適當，經(jīng)過折算，相當 于暫載率在15%（變電所同時系數(shù)取0.85） o因此計算時可根據(jù)各工程情況暫載率取在 815% 之間，變電所同時系數(shù)取0.85 o

25、三、焊接車間的變電所設計焊接車間設計考慮的問題有：1、變電所位置：變電所均采用組合式變電所，以節(jié)省空間，變壓器采用干式變壓器對于規(guī)模較小的焊接車間，變電所可考慮采用附或外附式，對于規(guī)模較較大的焊接車間， 變電所盡量設于車間中部負荷中心處，并設置變電所鋼結(jié)構(gòu)平臺。對于焊接車間的焊接機器人控制部分、照明及通風部分，可考慮設置專用變壓器，如該部 分容量較小，也可考慮從附近其他變壓器引來，以避免焊機引起的電壓波動和諧波干擾。2、電容補償：因點焊機產(chǎn)生大量三、五次諧波，C02焊機產(chǎn)生大量五、七次諧波，故焊接車間的電容補 償回路應串聯(lián)電抗器以抑制諧波，并防止電容器過負荷。對于三次諧波含量較多的，電容器 回

26、路可串聯(lián)14%勺電抗器，對于五、七次諧波含量較多的，電容器回路可串聯(lián)5.57%的電抗器。對于點焊機為主的車間，因點焊機為單相 380V,而每個焊點焊接時間很短(約 0.2s ),故 補償裝置應采用單相動態(tài)補償裝置。對于CO2旱機為主的車間，補償裝置可采用三相動態(tài)補償裝置。四、焊接車間的配電設計焊接車間配電方案一般采用干線式，干線采用插接式母線，當工藝吊架可用時，母線設在工藝吊架上，當采用工藝吊架不合理時，可考慮跨柱、墻敷設。需要注意的是：(1) 焊接機器人控制電源不能由母線供電，應考慮從電壓波動不明顯的其他變壓器供電， 當 僅有一臺變壓器時，應考慮設置穩(wěn)壓電源。焊接機器人所配焊機可接自母線。(2) 焊接車間的母線、橋架安裝應注意與結(jié)構(gòu)協(xié)商預留吊點，如讓結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)梁、吊車梁下 預留吊點或設置固定吊架用輔梁。(3) 懸掛點焊機一般不設置現(xiàn)場操作開關，CO2旱機除插接箱(動力箱)設置斷路器外，焊 機附近一般均設置工業(yè)連接器作為操作開關。五、焊接車間的照明設計焊接車間一般照明照度標準為 200IX,工位照明設計項目由工藝負責，但應考慮用電量。車間應急照明只考慮疏散口上設置安全出口指示燈即可，疏散指示、雙頭應急燈一般不裝設值班照明一般取整個燈具的1/4左右。變電所照度為200IX，照明應設應急照明，應急照明的供電可采取以下方式：（1）集中型應急電源EPS供電，（2）燈具均采