电 熔 焊 机 技 术 综 述
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
一． 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
第 1 页 共 10 页
为Q=0.24I²Rt,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，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39.5V，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(α=90º)
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
第 2 页 共 10 页
U Umπ π/2 α 2πωt U=1π∫πα(2U2sinωt)2d(ωt)=U21π−αsin2α+=U2cosφ (1) 2ππ即功率因数为 cosφ=
1π−αsin2α+ (2) 2ππ当导通角为90度时
U=
U2m
(3) 2
由（3）式可知，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=220×2/79=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90—180度，对应的功率因数为0.707—0。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15KG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
第 3 页 共 10 页
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α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α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，如将输出电压分辨率取0.1V，在有些值域，α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。
图3-3 全波形电熔焊机输出型
U 56Vπ 2πωt 第 4 页 共 10 页
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交流作为焊接电压。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。
第 5 页 共 10 页
图3-5 逆变型电熔焊机原理框图
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。
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。 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要的。电熔焊机的技术含量都体现在辅助功能上。
第 6 页 共 10 页
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) 自动计算热功量； 7) 自动生成焊接参数； 8) 管件参数自动补偿；
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； 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
工作电压： 输入功率因数： 工作温度： 相对湿度： 最大输出功率：
第 7 页 共 10 页
效率： 输出电压范围： 输出电压分辩率： 输出电压精度： 焊接时间： 焊接时间分辩率： 管件电阻采样范围， 电阻采样分辨率： 环境温度检测范围： 温度采样分辩率： 输入方式：
全自动模式：自动采样；
半自动模式：手动输入/条码扫描输入；
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、补偿时间、管径、材质、管件电阻值、剩余时间倒计数等； LCD视窗尺寸： 每屏显示汉字数： 通讯接口： 整机重量 体积： 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。
第 8 页 共 10 页
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
第 9 页 共 10 页
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。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：指电熔焊机对型号相同而阻值不同的管件，能自动调整焊接参数，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。
作者声明：非经允许，不得复制、转载和引用！
第 10 页 共 10 页
