螺柱焊控制柜内部结构解析及降温系统优化

毛中正，李冠群，武扬

北京奔驰汽车有限公司 北京 100176

1 序言

螺柱焊是将螺柱类焊钉或其他固定件焊接在金属零件上的方法。实现螺柱焊接的方法有多种，比如用电阻焊、储能式螺柱焊、凸焊、摩擦焊、电弧式螺柱焊等。相对应的焊机也有很多种，比如电弧式螺柱焊机、电阻焊机、储能式螺柱焊机、凸焊机等[1-3]。

在该技术应用早期，基本都是采用电阻焊和电弧焊，随着汽车工业的不断发展和电弧螺柱焊焊接技术的日趋成熟，电弧螺柱焊已经成为在白车身制造中应用非常广泛的技术[4]。电弧螺柱焊的基本原理是在螺柱接触板材形成短路时，首先利用小电流在螺柱和板材之间引弧；其次利用大电流在板材和螺柱表面形成熔池，然后在外力作用下将螺柱送入板材；最后在焊接熔池冷却凝固后，螺柱和板材之间会形成可靠连接。电弧螺柱焊技术具有快速、可靠、操作简单和成本低等优点[5-7]。

本文主要分析了Tucker生产的电弧螺柱焊机，该螺柱焊机在北京奔驰生产线上主要有T028512型和T029506型两种。T028512型在使用中，经常出现柜内温度过高导致IGBT模块烧毁事件。针对该问题，本文提出将该控制柜的冷却系统进行优化，以降低柜内温度，提高控制柜使用寿命

2 螺柱焊系统组成简介

机器人电弧螺柱焊系统主要由控制柜、示教器、送料器、送钉管、管线包、地线和焊枪组成，如图1所示。控制柜外接380V交流电源，其主要作用是为焊接提供电流、控制焊枪运动、控制焊接时序等。示教器主要作用是调整焊接参数、查看报警信息和焊接曲线等。送料器主要作用是存储焊钉，同时在控制柜的控制下将焊钉送至焊枪。送钉管作为连接送料器和焊枪的媒介。管线包内包含压缩空气管、焊接电缆、焊接测量线、保护气管和24V电缆等5组线束。焊枪是整个焊接系统的执行单元，其在控制柜的指令下精准执行相关动作，保证焊接质量。

图1 机器人电弧螺柱焊系统组成

3 控制柜内部结构

Tucker螺柱焊控制柜外部正面和内部正面如图2、图3所示。从控制柜外部正面可以看到一个示教器，2个USB接口，4个送料器接口，1个压缩空气接口，4个焊枪接口，2个24V接口，1个网络接口和1个急停接口。该类型的控制柜可同时连接4把焊枪和4个送料器。从焊接控制柜内部正面中可以看到，SMPS单元、CPM单元以及3个LMC放大板。SMPS又称交换式电源、开关变换器，是一种高频化电能转换装置。此处SMPS主要是将输入三相280V的交流电变成脉冲电流输出。LMC是一个输出端口，功能是控制焊枪中的直线电动机。其中放大器为电动机提供电源，控制板控制电动机的行程。CPM是中央处理器，处理各种信号。

控制柜内部右侧和左侧实物如图3所示。从控制柜右侧可以看到CPM单元的具体组成，比如安全板、USB记忆模块、ANYBUS电路板、CPM板和CPU板等。从控制柜左侧能看到主电路断路器F1～F3、相序监控接触器K3、制动器电压K5以及2个电源模块等。

图2 Tucker螺柱焊控制柜正面

图3 Tucker螺柱焊控制柜内部

4 控制柜损坏率分析

在现场实际运行过程中，发现Tucker控制柜经常出现损坏，通过检查内部电路和相关元器件，最终锁定在IGBT上。螺柱焊需要焊接电流大及焊接时间长，T028512型控制柜容量刚好满足，无富裕量，导致螺柱焊控制柜内温度过高，IGBT模块易烧毁。除了加装风扇降温外，更换大容量控制柜也能解决该问题，但是成本很高。IGBT是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件，具有电压高、电流大、频率高及导通电阻小等特点，被广泛应用于变频器的逆变电路中[7]。但由于IGBT的耐过电流能力与耐过电压能力较差，一旦出现意外就会使其损坏，因此，必须对IGBT进行相关保护。一般我们从过电流、过电压、过热三方面进行保护。

由于该控制柜是厂家制作的标准产品，因此我们把重点放在过热保护上。IGBT的过热保护一般采用散热器（包括普通散热器与热管散热器），并可进行强迫风冷[8]。本文采用强制风冷的方式对控制柜进行降温，通过增加风扇以加速柜内空气流动，降低柜内温度，使得IGBT的工作温度得到保证，从而延长其使用寿命。

图4所示为2018和2019年度内IGBT的损坏数，从图中可以明显看到，IGBT的损坏数在2018年7月开始出现明显上升，8月到达最高点，然后开始下降。而每年七八月是一年中最热的时候，车间的温度也比其他月份要高，这就导致在相同工况下，控制柜内的温度出现上升，IGBT的损坏率升高。在2018年底对所有控制柜新增了风扇，从图中可以明显看到，2019年IGBT损坏率明显降低。

图4 2018和2019年度车间IGBT损坏数统计

5 冷却系统改进方案

为了降低IGBT的损坏率，在控制柜内新增一个风扇，对控制柜进行强制风冷。图5所示为新增风扇的供电方案，选取原控制柜内一个电源T2，该电源的作用是将三相380V的交流电变成24V直流电输出。在T2输出端并联一路24V，作为风扇的供电电源，同时在该电源后新增一个低压断路器，进行双重保护。图6所示为新增风扇所作的控制柜盖板，即在原控制柜顶部新增一层盖板，盖板中有一个安装风扇的孔，并且该孔处于SMPS正上方。此种安装方式更加有利于控制柜的散热。

图5 加装风扇供电方案

图6 控制柜改善盖板图样及实物

6 结果验证

通过在控制柜顶部盖板上增加风扇，能够加快控制柜内空气流动，并且该风扇在控制柜开机状态下一直工作。图7所示为加装风扇前后IGBT热成形图，加装风扇前最高温度达到76℃，加装风扇后最高温度只有67℃。接近10℃的降温能有效提高IGBT的使用寿命。实际数据表明，在增加风扇后，IGBT月度最高损坏数降低到3台，年度总损坏数也有明显降低。

图7 加装风扇后，IGBT热成像对比

7 总结和展望

IGBT作为螺柱焊控制柜的关键零部件，其使用寿命直接影响设备的使用效率。而IGBT由于自身属性的限制，其对工作温度的要求较高。实践证明，通过在控制柜内增加风扇能有效降低IGBT的工作温度，从而提高其使用寿命，同时提高设备的整体使用效率。