螺柱焊控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析及降溫系統(tǒng)優(yōu)化

毛中正，李冠群，武揚(yáng)

北京奔馳汽車有限公司 北京 100176

1 序言

螺柱焊是將螺柱類焊釘或其他固定件焊接在金屬零件上的方法。實現(xiàn)螺柱焊接的方法有多種，比如用電阻焊、儲能式螺柱焊、凸焊、摩擦焊、電弧式螺柱焊等。相對應(yīng)的焊機(jī)也有很多種，比如電弧式螺柱焊機(jī)、電阻焊機(jī)、儲能式螺柱焊機(jī)、凸焊機(jī)等[1-3]。

在該技術(shù)應(yīng)用早期，基本都是采用電阻焊和電弧焊，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展和電弧螺柱焊焊接技術(shù)的日趨成熟，電弧螺柱焊已經(jīng)成為在白車身制造中應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)[4]。電弧螺柱焊的基本原理是在螺柱接觸板材形成短路時，首先利用小電流在螺柱和板材之間引??；其次利用大電流在板材和螺柱表面形成熔池，然后在外力作用下將螺柱送入板材；最后在焊接熔池冷卻凝固后，螺柱和板材之間會形成可靠連接。電弧螺柱焊技術(shù)具有快速、可靠、操作簡單和成本低等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。

本文主要分析了Tucker生產(chǎn)的電弧螺柱焊機(jī)，該螺柱焊機(jī)在北京奔馳生產(chǎn)線上主要有T028512型和T029506型兩種。T028512型在使用中，經(jīng)常出現(xiàn)柜內(nèi)溫度過高導(dǎo)致IGBT模塊燒毀事件。針對該問題，本文提出將該控制柜的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以降低柜內(nèi)溫度，提高控制柜使用壽命

2 螺柱焊系統(tǒng)組成簡介

機(jī)器人電弧螺柱焊系統(tǒng)主要由控制柜、示教器、送料器、送釘管、管線包、地線和焊槍組成，如圖1所示?？刂乒裢饨?80V交流電源，其主要作用是為焊接提供電流、控制焊槍運(yùn)動、控制焊接時序等。示教器主要作用是調(diào)整焊接參數(shù)、查看報警信息和焊接曲線等。送料器主要作用是存儲焊釘，同時在控制柜的控制下將焊釘送至焊槍。送釘管作為連接送料器和焊槍的媒介。管線包內(nèi)包含壓縮空氣管、焊接電纜、焊接測量線、保護(hù)氣管和24V電纜等5組線束。焊槍是整個焊接系統(tǒng)的執(zhí)行單元，其在控制柜的指令下精準(zhǔn)執(zhí)行相關(guān)動作，保證焊接質(zhì)量。

圖1 機(jī)器人電弧螺柱焊系統(tǒng)組成

3 控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Tucker螺柱焊控制柜外部正面和內(nèi)部正面如圖2、圖3所示。從控制柜外部正面可以看到一個示教器，2個USB接口，4個送料器接口，1個壓縮空氣接口，4個焊槍接口，2個24V接口，1個網(wǎng)絡(luò)接口和1個急停接口。該類型的控制柜可同時連接4把焊槍和4個送料器。從焊接控制柜內(nèi)部正面中可以看到，SMPS單元、CPM單元以及3個LMC放大板。SMPS又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置。此處SMPS主要是將輸入三相280V的交流電變成脈沖電流輸出。LMC是一個輸出端口，功能是控制焊槍中的直線電動機(jī)。其中放大器為電動機(jī)提供電源，控制板控制電動機(jī)的行程。CPM是中央處理器，處理各種信號。

控制柜內(nèi)部右側(cè)和左側(cè)實物如圖3所示。從控制柜右側(cè)可以看到CPM單元的具體組成，比如安全板、USB記憶模塊、ANYBUS電路板、CPM板和CPU板等。從控制柜左側(cè)能看到主電路斷路器F1～F3、相序監(jiān)控接觸器K3、制動器電壓K5以及2個電源模塊等。

圖2 Tucker螺柱焊控制柜正面

圖3 Tucker螺柱焊控制柜內(nèi)部

4 控制柜損壞率分析

在現(xiàn)場實際運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)Tucker控制柜經(jīng)常出現(xiàn)損壞，通過檢查內(nèi)部電路和相關(guān)元器件，最終鎖定在IGBT上。螺柱焊需要焊接電流大及焊接時間長，T028512型控制柜容量剛好滿足，無富裕量，導(dǎo)致螺柱焊控制柜內(nèi)溫度過高，IGBT模塊易燒毀。除了加裝風(fēng)扇降溫外，更換大容量控制柜也能解決該問題，但是成本很高。IGBT是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件，具有電壓高、電流大、頻率高及導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于變頻器的逆變電路中[7]。但由于IGBT的耐過電流能力與耐過電壓能力較差，一旦出現(xiàn)意外就會使其損壞，因此，必須對IGBT進(jìn)行相關(guān)保護(hù)。一般我們從過電流、過電壓、過熱三方面進(jìn)行保護(hù)。

由于該控制柜是廠家制作的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，因此我們把重點(diǎn)放在過熱保護(hù)上。IGBT的過熱保護(hù)一般采用散熱器（包括普通散熱器與熱管散熱器），并可進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷[8]。本文采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式對控制柜進(jìn)行降溫，通過增加風(fēng)扇以加速柜內(nèi)空氣流動，降低柜內(nèi)溫度，使得IGBT的工作溫度得到保證，從而延長其使用壽命。

圖4所示為2018和2019年度內(nèi)IGBT的損壞數(shù)，從圖中可以明顯看到，IGBT的損壞數(shù)在2018年7月開始出現(xiàn)明顯上升，8月到達(dá)最高點(diǎn)，然后開始下降。而每年七八月是一年中最熱的時候，車間的溫度也比其他月份要高，這就導(dǎo)致在相同工況下，控制柜內(nèi)的溫度出現(xiàn)上升，IGBT的損壞率升高。在2018年底對所有控制柜新增了風(fēng)扇，從圖中可以明顯看到，2019年IGBT損壞率明顯降低。

圖4 2018和2019年度車間IGBT損壞數(shù)統(tǒng)計

5 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)方案

為了降低IGBT的損壞率，在控制柜內(nèi)新增一個風(fēng)扇，對控制柜進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。圖5所示為新增風(fēng)扇的供電方案，選取原控制柜內(nèi)一個電源T2，該電源的作用是將三相380V的交流電變成24V直流電輸出。在T2輸出端并聯(lián)一路24V，作為風(fēng)扇的供電電源，同時在該電源后新增一個低壓斷路器，進(jìn)行雙重保護(hù)。圖6所示為新增風(fēng)扇所作的控制柜蓋板，即在原控制柜頂部新增一層蓋板，蓋板中有一個安裝風(fēng)扇的孔，并且該孔處于SMPS正上方。此種安裝方式更加有利于控制柜的散熱。

圖5 加裝風(fēng)扇供電方案

圖6 控制柜改善蓋板圖樣及實物

6 結(jié)果驗證

通過在控制柜頂部蓋板上增加風(fēng)扇，能夠加快控制柜內(nèi)空氣流動，并且該風(fēng)扇在控制柜開機(jī)狀態(tài)下一直工作。圖7所示為加裝風(fēng)扇前后IGBT熱成形圖，加裝風(fēng)扇前最高溫度達(dá)到76℃，加裝風(fēng)扇后最高溫度只有67℃。接近10℃的降溫能有效提高IGBT的使用壽命。實際數(shù)據(jù)表明，在增加風(fēng)扇后，IGBT月度最高損壞數(shù)降低到3臺，年度總損壞數(shù)也有明顯降低。

圖7 加裝風(fēng)扇后，IGBT熱成像對比

7 總結(jié)和展望

IGBT作為螺柱焊控制柜的關(guān)鍵零部件，其使用壽命直接影響設(shè)備的使用效率。而IGBT由于自身屬性的限制，其對工作溫度的要求較高。實踐證明，通過在控制柜內(nèi)增加風(fēng)扇能有效降低IGBT的工作溫度，從而提高其使用壽命，同時提高設(shè)備的整體使用效率。