WTC 焊機(jī)原理深度解析與維修改進(jìn)探究

劉樂(lè)翔，于韶東，蔣大鵬

（上汽通用東岳汽車有限公司，山東煙臺(tái)，264006）

0 引言

WTC焊機(jī)是美國(guó)生產(chǎn)的中頻焊機(jī)，功能強(qiáng)大，能耗低，同等重量之變壓器可輸出更多能量，使用非常廣泛。因工作在特定的工作環(huán)境，焊機(jī)表面附著物較多，造成焊機(jī)故障率高。由于部件價(jià)格昂、貴，采購(gòu)周期長(zhǎng)，給生產(chǎn)交付帶來(lái)了很大的困難。針對(duì)其在應(yīng)用維修中的弊端，分析其工作原理，通過(guò)深度剖析驗(yàn)證，將其升級(jí)改進(jìn)，使之能夠適應(yīng)環(huán)境對(duì)其性能的影響，延長(zhǎng)焊機(jī)生命周期。

1 WTC 焊機(jī)原理分析

WTC焊機(jī)電路主要由整流電路、逆變電路、檢測(cè)電路組成，整流電路采用三相可控橋式整流；逆變電路采用了由4個(gè)IGBT組成的單相全橋設(shè)計(jì)方式，觸發(fā)回路由VLA503-01 IGBT專用的厚膜驅(qū)動(dòng)芯片控制；檢測(cè)回路由霍爾傳感器與磁感線圈組成，既能檢測(cè)輸出電流的平衡狀況，又能檢測(cè)工作電流的實(shí)際數(shù)值，當(dāng)焊接異常時(shí)及時(shí)報(bào)警。

焊機(jī)的焊接母線3相380V電源通過(guò)插接箱進(jìn)入焊機(jī)的斷路器，分成4路，其原理圖如圖1所示。

圖1 WTC焊機(jī)原理圖

TVS阻容吸收回路：可有效抑制高壓動(dòng)作瞬間產(chǎn)生的電壓震蕩和沖擊電流，使高頻震蕩沖擊電流迅速衰減，降低對(duì)負(fù)荷設(shè)備的沖擊影響。

380V-120V變壓器：輸出的120V電壓一路輸送給電源板，電源板會(huì)給主板和可控硅觸發(fā)板供24V電；另一路給主板，通過(guò)主板控制隔離接觸器的線圈供電，在焊接前提前吸合隔離接觸器。

可控硅觸發(fā)板：主要作用是給可控硅提供觸發(fā)電流，可控硅觸發(fā)板上有個(gè)吸收回路，其中一個(gè)作用是用于焊機(jī)斷電時(shí)釋放電容內(nèi)部的電壓，防止觸電。

整流主回路：給三相半波橋式可控硅的主回路供電，經(jīng)過(guò)可控硅整流后的DC 537V經(jīng)過(guò)電容濾波后，供給單相全波逆變電路，逆變成6000Hz的中頻方波，經(jīng)過(guò)隔離接觸器，再經(jīng)外部的焊接變壓器將DC 537V高壓變成DC 10V的安全電壓，然后再次整流，到達(dá)焊槍電極進(jìn)行焊接。

2 逆變回路原理分析

WTC焊機(jī)焊機(jī)逆變回路上下橋的四個(gè)IGBT由四個(gè)VLA503厚膜IGBT驅(qū)動(dòng)芯片控制管理，其原理圖如圖2所示。

圖2 逆變回路原理圖

厚膜芯片電源由±12V雙電源供電，通過(guò)U8芯片DC/DC轉(zhuǎn)換而來(lái)。當(dāng)厚膜芯片13、14腳無(wú)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，芯片內(nèi)部連接5腳輸出的上橋三極管關(guān)斷，下橋三極管導(dǎo)通，5腳的電位等于6腳電位-12V,此時(shí)該芯片對(duì)應(yīng)的IGBT柵源極驅(qū)動(dòng)電壓為反向電壓-12V,目的是為關(guān)斷更徹底；當(dāng)13、14腳10mA電流信號(hào)后，芯片內(nèi)部下橋三極管關(guān)斷，上橋三極管導(dǎo)通，5腳輸出12V脈沖信號(hào)到該芯片對(duì)應(yīng)的IGBT柵源極,控制IGBT導(dǎo)通。

圖中D23為快速恢復(fù)二極管，連接到IGBT的漏極，目的是監(jiān)測(cè)漏極到源極的電壓。當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，D23截止，厚膜芯片1腳電壓為12V等于電源電壓,1腳是厚模芯片內(nèi)部電壓比較器正向輸入端，高于基準(zhǔn)電壓，電壓比較器輸出高電平，5腳鎖住輸出并輸出反向電壓至IGBT柵源極；當(dāng)IGBT正常開(kāi)啟時(shí)，D23正向?qū)ǎ?腳低電平輸入，芯片內(nèi)部電壓比較器輸出低電平，5腳輸出高電平。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓報(bào)警時(shí)，大電流使IGBT的漏極電壓升高，D23截止，1腳輸入高電平，5腳鎖住輸出，同時(shí)8腳輸出低電平，U4光耦工作，N31電位拉低，單片機(jī)報(bào)警，停止輸出。R31為限流電阻，同時(shí)穩(wěn)壓管Z15/Z16組成限幅器，確保IGBT柵極不被擊穿；穩(wěn)壓管Z11用于防止D23擊穿而損壞厚膜芯片。厚膜芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 厚膜芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

3 維修案例解析

WTC焊機(jī)報(bào)警頻繁故障信息：“焊接低電流”；當(dāng)焊機(jī)焊接時(shí)，霍爾傳感器檢測(cè)的焊接電流低于設(shè)定的最小焊接電流。

■3.1 原因分析

根據(jù)報(bào)警信息，對(duì)故障進(jìn)行分析，原因可能在四個(gè)方面：

(1)功率管損壞；(2)檢測(cè)回路故障；(3)IGBT觸發(fā)回路故障；(4)直流母排電壓低于正常工作電壓。

■3.2 檢測(cè)方法

(1)拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)焊機(jī)內(nèi)部雜質(zhì)較多，對(duì)焊機(jī)各部件進(jìn)行清潔，清除雜質(zhì)。

(2)清潔完成后，依次目測(cè)各電路板以及功率管狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊機(jī)1ITF控制板Q1高壓IGBT有金屬絲狀物纏繞，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)IGBT擊穿；檢測(cè)其余電路板狀態(tài)正常。

(3)為確定故障原因，深入了解1ITF板工作原理，測(cè)繪其原理圖如圖4所示。

通過(guò)圖4原理圖分析：該電路是焊機(jī)停機(jī)后直流母排電壓釋放電路，當(dāng)焊機(jī)工作時(shí)，Q2三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q1 IGBT不工作；當(dāng)焊機(jī)斷電后，Q2處于截止?fàn)顟B(tài)，Q1導(dǎo)通，R222電阻工作，迅速釋放母排電能。Q1只能在焊機(jī)斷電瞬間工作，焊機(jī)正常工作時(shí)，Q1不工作。而Q1被擊穿，母排的釋放電阻就會(huì)接通，造成直流母排電壓過(guò)低，使焊機(jī)輸出電流減小，所以出現(xiàn)焊機(jī)低電流報(bào)警。

4 故障根本原因查找與改進(jìn)實(shí)施

■4.1 根本原因總結(jié)

實(shí)物圖如圖5所示，框中的矩形孔是用來(lái)保證絕緣的安全距離和爬電距離，孔洞周圍堆積灰塵和焊接粉塵雜質(zhì)時(shí)，使得電路板開(kāi)關(guān)元件異常開(kāi)啟或者短路；當(dāng)IGBT周圍布滿因高壓吸附產(chǎn)生的煙塵粒子，造成IGBT短路、擊穿。

■4.2 設(shè)計(jì)缺陷及改進(jìn)升級(jí)

控制板1ITF驅(qū)動(dòng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，不適合在煙塵粒子多的情況下使用，改進(jìn)方法：

(1)電路板用洗板水清潔徹底后，噴涂三防漆，徹底杜絕因灰塵等各種附著物造成的短路隱患。

(2)將能耗電阻功率由原來(lái)100W更換成300W。停機(jī)時(shí)，可加快將母排電壓釋放掉避免富余能量對(duì)電子元器件的損壞。

圖4 1ITF控制板原理圖

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)WTC焊機(jī)維修拆檢發(fā)現(xiàn)，焊機(jī)電路板、銅排、電容等均出現(xiàn)灰塵堆積、腐蝕等情況，對(duì)焊機(jī)定期進(jìn)行深度清洗、保養(yǎng)，完全可以避免電子元器件的損壞。同時(shí)，對(duì)WTC焊機(jī)原理進(jìn)行深度解析，對(duì)頻發(fā)故障的根本原因分析及電路板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的探究，完全可以維修改進(jìn)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)降本增效，延長(zhǎng)焊機(jī)全生命周期。

圖5 PCB板實(shí)物圖