1、电 熔 焊 机 及 焊 接 技 术 四川奥伦科技有限公司 文元洪（高级工程师）摘要：本文根据自己的研发经验，介绍电熔焊机的基本概念和分类，认真分析了各种电熔焊机焊接电压的控制方式、输出波形，并进行了比较。同时还介绍了电熔焊机的各种功能和技术指标。最后介绍了电熔焊机的选择依据和“全自动电熔焊机”的准确定义。关键词：电熔焊机 移相控制 闭环控制 逆变 自动采样 参数补偿 全自动3一一 电熔焊机的基本概念电熔焊机的基本概念 电熔焊机又叫电热熔焊机。是一种用于PE管材电熔焊接的专用工具，主要为焊接提供稳定的焊接电压或焊接电流，并对焊接过程进行检测与控制，使焊接效果达到最佳状态。从技术上讲，电熔焊机属于
2、功率电源范畴，它集电力电子技术、自动控制技术、自动检测和自动辩识技术、计算机硬件技术、软件技术、显示技术、条码扫描技术和数据库技术于一体，因此，要真正做好一台高水平的电熔焊机并非易事。目前电熔焊机尚无国家标准，可用的只有ISO12176-2、ISO12176-3、ISO12176-4标准。所以，开发具有自主知识产权、技术一流的全自动电熔焊机并制定出科学的技术标准，是业界的重要任务。二 电熔焊机的分类 1）管件电熔焊机 这种电熔焊机用于PE、PP电熔管件的电热熔焊接，是一种可调电压源，其输出电压和焊接时间可在大范围内连续调节，以满足不同电熔管件的焊接要求。2）电热带电熔焊机 这种电熔焊机用于PE
3、电热带的电热熔焊接，其输出采用有效值恒流输出，输出电流和焊接时间可在大范围内连续调节，以满足不同电热带的焊接要求。目前管件电熔焊机主要用于压力PE和PP管道的电熔焊接，而电热带电熔焊机主要用于非压力PE和PP直管或波纹管的电熔焊接。其实从理论上讲，无论是电熔管件还是电热带，都是阻性负载，所需的焊接热功量为Q=0.24IRt,只要满足焊接热功要求，至于用电压型焊机还是电流型焊机并无本质区别。比如一个电阻为6欧姆的PE电热带，焊接1200mm的波纹管，厂家给出的焊接电流为20A，此时用20A恒流焊接和用120V恒压焊接，其效果是完全一样的。不过需要指出的是，电熔管件属于低阻负载，而电热带为高阻负载
4、，按照ISO12176-2标准，管件电熔焊机的常用输出电压为39.5V，向上调最高只能输出48V，只能用于低阻负载，无法输出120V的焊接电压，所以不能用于电热带的焊接。正是由于这个原因，才产生了电热带电熔焊机。也许有人会问，为什么不能将管件电熔焊机的输出电压设计高一些，既用于电熔管件的焊接也用于电热带的焊接？表面上看可以，但对相控型电熔焊机来说，电压提高以后，焊接电熔管件时，功率因数将变得很低。就以上面为例，如果将变压器副边电压有效值提高到120V，而焊接电压仍为39.5V，那么根据后面的（1）式可知，此时的功率因数为39.5/120=0.329。这样的功率因数实在太低了。如果焊接电压低于3
5、9.5V，则功率因数会更低。所以这样做实际上是不行的。三 焊接电压的控制方式 控制方式是电熔焊机的关键技术，一种电熔焊机的优劣,主要取决于控制方式。1）交流相控型电熔焊机 这种电熔焊机直接利用工频电源通过变压器降压后作为焊接电压。为了达到调节焊接电压的目的，采用可控硅移相控制，其输出波形如图3-1所示。图3-1相控型电熔焊机输出波形(=90)UUm t2/2输出电压的最大导通角定为90度，其目的是实现间断加热，这样有利于热传导，保护电阻丝不至于烧断。其输出电压为 (2)当导通角为90度时 (3)21sin22U2cosU1cossin22 22mUU 221(2sin)()Utdt 由（3）式
6、可知，一台最高输出电压为39.5V的电熔焊机，其输出电压的峰值为79V。一台最高输出电压为50V的电熔焊机，其输出电压的峰值为100V。由此不难看出，如果要做一台最高输出电压为39.5V的电熔焊机，只需做一台功率满足焊接要求，其变比为N=220/79=3.94的工频变压器，并对其原边电压进行移相控制，然后再加上其他控制功能就可以了。这是一种最容易最简单的实现方法，笔者所见到的意大利RITMO和法国塑龙等进口电熔焊机和许多国产电熔焊机都采用这种方案。从功率因数来看，由于控制角的移相范围为90180度，对应的功率因数为0.7070。不难看出，功率因数最大只能达到0.707。输出电压越低，功率因数也
7、越低。功率因数低自然就不节能。相控型电熔焊机的最大优点是，电路简单，容易实现。其缺点是：（1）因为它工作于50HZ工频范围，必须背一个体积笨重的环形工频变压器。所以，国产的相控型电熔焊机最小都在20Kg以上，进口的也不低于17Kg，体积很笨重，不便于携带。这里有一个简单的方法可以判断：只要重量在20KG以上的电熔焊机一定是相控型，因为视在功率为3200VA的工频变压器，20Kg以下根本做不出来。如果20Kg以下作出来了，要么功率不够，要么暂载率达不到要求。（2）谐波分量大，直接对电网产生谐波污染。因为相控过后的正弦波产生大量的高次谐波，而这些高次谐波直接注入电网。因此从电网环保的角度看，相控型
8、电熔焊机是不宜推广的。（3）管件冲击电流太大。由于输出电压的峰值U2m=2U，一台输出电压为39.5V的相控型电熔焊机，其输出峰值电压为79V，如果管件电阻为1欧姆，最大峰值电流为79A。如此之大的冲击电流一方面产生强大的谐波干扰，另一方面还可能烧断电阻丝。施工中经常出现断丝现象，就是因为电阻丝的耗散功率偏小，阻值偏低，而焊机的冲击电流又很大所至。（4）焊机效率低。因为焊机变压器的效率一般只有80%，不利于节能。（5）输出电压精度低。由（1）式可知，输出电压U与控制角之间是一个复杂的非线性关系，给定一个U值，要通过实时计算来求得值非常困难，所以实际中都采用查表方法来实现。但这又出现一个新的问题
9、，如将输出电压分辨率取0.1V或更低，在有些值域，值将小得难以辩识。如将分辨率取得过大，输出电压精度又不够。所以折中起来，输出电压分辨率取0.5V。这就是国外相控型电熔焊机的输出电压分辨率都取0.5V的真正原因。严格讲，这个分辨率是比较低的。图3-2是相控型电熔焊机的原理框图。图3-2 相控型电熔焊机的原理框图 2)交流全波型电熔焊机 这种电熔焊机，其输出是一个有效值为39.5V的完整正弦波，峰值电压为56V，如图3-3所示。2 t56V图3-3 全波形电熔焊机输出波形 U 这种电熔焊机输出电压固定不变，只控制焊接时间，笔者曾测试过浙江某厂的产品，就是这种方案。其最大优点是：（1）制造技术难度
10、小，容易实现。（2）由于焊接电压是一个完整的正弦波，功率因数为1，对电网无谐波污染。（3）峰值电压低，对管件冲击电流小。其缺点是：（1）由于工作在工频，必须背一个工频变压器，体积仍然很笨重。（2）输出电压无法改变，不能满足需要改变焊接电压的焊接要求。（3）因为是连续加热，当管件耗散功率偏小时，经常烧断电阻丝，使管件报废，焊接失败。（4）效率低，不利于节能。严格讲，这是一种档次很低的电熔焊机，与ISO-12176-2标准要求相差很远，焊接质量根本无法保证。图3-4是全波型电熔焊机的原理框图。图3-4 全波型电熔焊机的原理框图 3)逆变型电熔焊机 逆变型电熔焊机与前二者截然不同，它不是直接将工频电
11、压通过变压器降压后作为焊接电压，而是将工频电压进行全波整流，再进行逆变。然后再对逆变电压进行再次整流，最后再将整流电压逆变成工频PWM波作为焊接电压。焊接电压和焊接时间仍可在大范围内任意调节。其原理框图如图3-5所示。图3-7是其输出波形。图3-5 逆变型电熔焊机原理框图 uTttum图3-6 逆变式电熔焊机的输出波形 其输出电压为u=um ，PE焊接时T=20ms；钢塑焊接时，T为250ms，以实现超低频焊接。与前二者相比，逆变型电熔焊机的主要优点在于：1)由于采用了高频逆变技术，甩掉了体积笨重 tT的工频变压器，实现了焊机的轻量化便于携带。2)由于采用二极管全桥整流，其功率因数为1。3)逆
12、变效率高，一般可达90%以上，最低也不低于85%，有利于节约电能。4)输出峰值电压低，瞬间冲击电流小，不会烧断电阻丝。5)输出电压精度高。正是由于逆变型电熔焊机具有无可比拟的优点，既环保，又轻便，又节能，输出电压精度又高，是将来大力推广的电熔焊机。4）直流电熔焊机 所谓直流电熔焊机就是输出电压为直流的电熔焊机。图3.74直流焊机的原理框图 这种电熔焊机多采用逆变方式，而且只有一次逆变，输出滤波采用电感滤波，比如龙泉力达和天津正维电熔焊机就是直流电熔焊机。图3-7是直流电熔焊机的原理框图。图3-8是其输出波形。这种焊机的优点是：1、实现简单、技术难度不大；2、冲激电流小；3、重量轻；4、焊接钢塑
13、时无涡流损耗；其缺点是：1、由于是直流加热，故而加热是连续的，无散热时间、与标准不符，局部易过焊及碳化；iI0t图3-8 直流电熔焊机的输出波形四 电熔焊机的功能设置 a)基本功能 这是任何电熔焊机必备的功能，主要有：1)输出断续加热，输出电压或电流稳定，并能在一定范围内任意调节。2)焊接时间可在要求的范围内任意设定。3)完善的保护功能。2、由于输出采用电感滤波，而控制的又是输出电压，因而输出电压精度低，本质上无法实现高精度控制。b)辅助功能 辅助功能是为了进一步提高焊机性能、提高焊接质量而设置的。这些功能越丰富，焊机的自动化程度越高，操作越简单，越安全，焊接效果越好。所以，辅助功能也是极为重
14、要的。电熔焊机的技术含量都体现在辅助功能上。1)全中文操作界面；2)输入电压和频率检测功能(相控型和全波型焊机需要这一功能，而逆变型则不需要)；3)环境温度检测；4)“温度-时间”自动补偿；5)管件电阻自动采样；6)自动计算焊接热功量；7)自动生成焊接参数；8)自动补偿管件参数；9)自动检测温度传感器开路和短路故障并报警；10)操作参数、焊接参数及故障自动显示；11)自动检测焊接回路开路和短路故障并报警；12)自动检测过压、欠压和过流故障，并能实时保护与报警；13)自动检测操作错误，并通过屏幕进行提示；14)焊接参数自动生成/手动输入或条码扫描 输入；15)焊接记录存储；16)焊接记录浏览查询
15、；17)焊接记录下载；18)焊接记录打印；19)串口通讯；20)日历时钟；21)焊接电压/电流闭环控制；五 电熔焊机的技术指标 n 工作电压：n 输入功率因数：n 工作温度：n 相对湿度：n 最大输出功率：n 效率：n 输出电压范围：n 输出电压分辩率：n 输出电压精度：n 焊接时间：n 焊接时间分辩率：n 管件电阻采样范围，n 电阻采样分辨率：n 环境温度检测范围：n 温度采样分辩率：n 输入方式：全自动模式：自动采样自动生成；半自动模式：手动输入/条码扫描输入；n 输入及显示参数：工程号、施工号、焊工号、年、月、日、时、分、秒、环境温度、焊接电压、焊接电流、焊接热功焦耳数、焊接时间、补偿时
16、间、管径、材质、管件电阻值、剩余时间倒计数等；n LCD视窗尺寸：n 每屏显示汉字数：n 通讯接口：n 整机重量：n 体积：n 连接器标准：六 电熔焊机的选择 电熔焊机的选择主要考虑以下几点。1运输方便性 由于电熔焊机主要用于现场施工，必须搬来搬去，当然重量越轻越好。一般进口相控型电熔焊机重量都在17KG以上，国产的不少焊机都在20-40KG之间，而逆变型电熔焊机大约只有10KG。显然，逆变型电熔焊机应当是首选。2操作方便性 必须考虑两点：a)全中文菜单 现场操作人员一般都不太熟悉英语，进口焊机全是英文界面，对一个普通操作者来说有一定的困难。所以从方便现场操作员考虑，应当首选全中文菜单的电熔焊
17、机。b)操作越简单越好 如上所述，现场操作员不仅英语有困难，操作复杂的计算机系统同样有困难，如果电熔焊机的操作程序太复杂，对他们来说，同样是一件头疼的事。从这个意义上讲，应当首选操作简单的全自动电熔焊机。3技术指标及功能 焊接质量与焊机的功能和技术指标密切相关。如果一台电熔焊机自动化程度较低，很多指标都要人工干预，那么焊接质量是难以保证的；如果一台电熔焊机技术指标项目很少，精度又低，要保证焊接质量也是不可能的。所以为了保证焊接质量，应当选择功能强、技术指标项目丰富、精度高、自动化程度高的电熔焊机。4性价比 顾名思义，性价比=（功能+性能）/价格，即单位货币所能购得的功能和性能，所以，用户购买电
18、熔焊机时，不能只看价格，性价比越高的才是好产品。5绿色环保 对电熔焊机来说，绿色环保有两层含义：一是节能、高效；二是无谐波污染。前已谈及，由于其控制方式的固有特点，有些电熔焊机会产生高次谐波污染电网，所以，应当首选那些高效节能、无谐波污染的电熔焊机。七 关于全自动电熔焊机 现在有许多厂家把带光笔扫描输入的电熔焊机称为全自动电熔焊机，其实这是错误的。严格讲，全自动电熔焊机除了具备“温度-时间”自动补偿功能外，还必须具备以下功能：A.能自动识别管件参数；B.自动计算焊接热功总量；C.自动生成焊接参数；D.自动补偿管件参数。要实现这四大功能，必须首先能“自动识别管件参数”，否则其余三项功能就无法实现
19、。而光笔扫描输入的并不是真正的管件参数，而是人为规定的焊接电压和焊接时间，所以带光笔输入的电熔焊机无法计算焊接热功总量，只能进行焊接热功累计，因此它不能自动生成焊接参数，更不能自动补偿管件参数。所以它不是全自动电熔焊机。1.自动识别管件参数：指电熔焊机能自动而精确的采集电熔管件的电阻值。2.自动计算热功总量：指电熔焊机能准确计算出焊接一个特定管件所需的热功量。3.自动生成焊接参数：指电熔焊机能根据采集的和输入的参数，自动生成焊接参数，包括焊接电压、焊接时间、焊接电流、补偿时间等等。这些参数可以和管件所带的参数相同，也可不同。4.自动补偿管件参数：指电熔焊机对规格相同而阻值不同的管件，能自动调整
20、焊接参数，使其焊接效果相同。由此不难看出，带光笔扫描输入的电熔焊机实际上是一种手动电熔焊机，最多只能算半自动电熔焊机。在笔者使用的光笔电熔焊机中，没有一种具备上述四大功能。八 奥伦焊机的特点 (1)我公司生产的电熔焊机主要特点如下 1、采用最新逆变技术，重量轻；2、温度时间自动补偿；3、自动采样管件参数；4、自动计算热功量；5、自动生成焊接参数；6、自动补偿管件参数；7、钢塑管件可实现超低频焊接；8、真正实现无参数的焊接；9、交直流两用；10、既可分段焊接也可一次焊接；11、小电阻保护功能。（2）奥伦焊机的不足 以前出厂的焊机，采样保护电路未加强制限流措施。采样电路有可能出故障，但不一定要出故
21、障。除此之外，并无其他不足。如采样电路出现问题，用户可将焊机发回我司，我司免费予以升级。九 电熔管件的焊接 我们知道，PE材料有三种状态，结晶态，高弹态和粘流态。管材挤出是在高弹态完成，焊接必须在粘流态实现。而PE管道的焊接又分为对接焊和电熔焊，对接焊只用于纯PE管材。钢塑管由于内部有钢丝骨架。只能采用电熔焊接方式。现场电熔焊接的要求:一、认真阅读焊机操作手册，充分了解焊机的功能和性能及注意事项。严格讲，操作员均通过培训并取得合格证后才能上岗操作，严禁盲目操作。二、焊接前的准备 1、管件及管材的处理。用三角刮刀将管材焊接区表面的氧化膜刮去，此项工作必须认真仔细，其刮削厚度必须一致、均匀、彻底。
22、同样用三角刮刀将管件内壁刮削一层，完全去除氧化层。如管件需切断，其断面应尽量保持垂直。2、管材与管件的配合尺寸 1）管材的外径尺寸误差必须符合标准要求（这项指标可在标准中查到）；2）管件内径尺寸误差也必须符合标准要求；3）管件电阻丝的埋设深度不大于0.5mm；4）电阻丝的绕制宽度与两端电阻值应基本相同。3、安装 1）管材必须插入到管件的死点位置；2）管材与管件必须保证尽量同心，严格的讲，按照标准应使用专门的校正器进行安装，以保证同心度。4、焊接注意 1）焊接时建议全部采用全自动模式进行焊接。2）当天安装的管件必须当天焊接，如留到第二天，必须拆下 来清除焊接区的潮气和水份，然后重新安装。3）正式
23、焊接前，最好做一次样件试焊。5、焊接 1）直接（套筒）的焊接 在全自动模式下，采样完毕输入管径后，焊机会自动生成焊接参数，此时按OK键即可自动完成焊接任务。如果出现“热功不够、时间太长”的提示，那么只能在手动模式下进行焊接，但在手动模式下，如何确定焊接参数呢？一是按管件厂家给出的参数进行焊接；二是计算焊接参数，下面是两种计算方法。a、在焊机参数浏览菜单中调出全自动模式下焊接同样的管件的焊接参数，其中有焊接电压、焊接时间、管件电阻等，其热功为：Q=U2 t/R (Q已知)b、设现在的管件电阻为R1，焊接电压为U1，焊接时间为t1，于是得 Q=U12t1/R1 （其中R1可通过采样求得）此时有两种
24、方案：a1固定电压求时间，即U1与调出参数相同，于是 t1=QR1/U12a2固定时间求电压，即时间t1与调出参数相同，于是有 U12=QR1/t1;U1=但需要指出的是，按第一种方法，加热速度变慢，散热加大，不一定能焊接好。而第二种方法，加热速度不变，但要求输出的电压较高，有时焊机不一定能输出来。11QRt 出现这两种情况都是管件本身的原因，厂家不会计算热功，这种管件最好不要采用。等径三通、等径弯头，也可按“直接”的焊接方式进行焊接。2）电熔变径（大小头）的焊接 电熔变径的热功计算比较复杂，许多厂家都不会计算，据我们测试，到目前为止，国内还没有一个厂家的电熔变径是合格的，所谓合格，指两端的热
25、功比例完全符合要求，具体讲就是一次焊完后，大小两端都刚好达到最佳状态，所以对单线绕制的电熔变径，是不能用全自动模式去焊接的，只能用手动模式进行焊接。而且必须按管件厂家给定的参数焊接，能否焊好，焊机和操作者都无法保证。电熔变径还有一种双线绕制方式，即大头是一个加热电阻丝，小头又是另一个加热电阻丝，必须分两次进行焊接，对于这种电熔变径可以用全自动模式进行焊接。3）电熔法兰焊接 电熔法兰焊接与直接相同，可用全自动模式，也可用手动模式。但需要指出，法兰的出线端分为两种：一种是两端出线，另一种是一端出线，两端出线的法兰其焊接方法与直接相同，而一端出线的必须十分小心，按要求一端出线的法兰必须用耐温300o
26、c以上的漆包电阻丝绕制，但现在很多厂家均用裸线绕制，在高温熔融状态下，末端出线会往下沉，与其下方的电阻丝短路，极易烧坏管件和焊机。比如东泰的法兰就是如此，因此我公司的焊机最好不要焊接东泰的电熔法兰和其它管件。4）大间隙管件的焊接 在实际工程中，经常有这样的情况，管件与管材的椭圆度太大，中间间隙太大；另一种情况是，管件为正公差，管材为负公差，其结果也是中间间隙过大。严格说，这些情况均属于不合格配合，但有时又不得不焊，如按常规方法焊接是焊不好的，这时可采用这样的方法：先按常规方法焊一次，结束后，再将管径提高一档补焊一次，这样可强行增加热功，使熔区加深，膨胀量加大，使其达到要求的焊接效果。但必须注意，在进行第二次升档补焊时，必须密切关注焊接状况，一旦出现喷浆现象应立即中止焊接，其方法是按一下stop键。三、打压 根据一些公司的施工经验，打压时，可先打气压，其目的是如有泄漏，可直接进行补焊。如果打水压，泄漏管件是不能补焊的，因为漏缝中有水残留，补焊是无用的。如果打气压不漏，可再打一次水压。但燃气管只能打气压。
