0 序 言

在電子器件泛邮、醫(yī)療器械料离、傳感器等產(chǎn)品的制造中，涉及大量小尺寸零件的電阻點焊盯质。尺寸微小使得焊接比較困難袁串，主要問題包括焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、容易導(dǎo)致零件熔毀呼巷、難以形成正常熔合囱修，焊接成品率低，有的零件甚至難以用一般的電阻點焊焊接王悍。

為解決微型零件的電阻點焊問題破镰，電阻點焊技術(shù)需向更加精密的方向發(fā)展。電阻焊的精密性包括電源的精細調(diào)節(jié)配名、參數(shù)的精確控制和加壓機構(gòu)的精密穩(wěn)定等多個方面，多技術(shù)集成構(gòu)成精密電阻焊系統(tǒng)晋辆。本文側(cè)重電阻焊電源精細調(diào)節(jié)技術(shù)的探討渠脉。

電阻點焊電源提供電阻焊的電阻加熱能量宇整，它的發(fā)展中相繼出現(xiàn)了單相工頻交流點焊電源﹑直流脈沖點焊電源﹑三相低頻點焊電源﹑次級整流點焊電源和電容儲能式點焊電源,上世紀(jì)80年代又出現(xiàn)了逆變式點焊電源^[1][2]。用于微型零件焊接的電源主要有單相交流電源芋膘、電容貯能電源和逆變電源^[3]鳞青。逆變電阻點焊電源的調(diào)節(jié)性顯著提高，相比較是一種較好的電源凡矿，但就逆變電阻點焊電源本身而言键先，相互有一定的差別。為實現(xiàn)微型零件的精密焊接紊竹，逆變電阻點焊電源技術(shù)需得到進一步發(fā)展牺道。

1          微型零件常用點焊電源輸出調(diào)節(jié)原理與特點

1.1    單相工頻交流點焊電源

單相晶閘管點焊電源等效電路和電流波形如圖1所示。改變晶閘管的控制角α壹会，便可調(diào)節(jié)焊接變壓器初級電流颈顽，控制次級焊接回路的焊接電流。

焊接電流由自由分量和強制分量兩部分組成及键，即：

 （1）

式中  Z－由初級折算到變壓器次級的總阻抗盖赛， ，R和L是系統(tǒng)等效電阻和電感胸胚；

     －負載功率因數(shù)角甜届， ；

  U－電源電壓的有效值垫嚣。

         a) 等效電路圖

         b）電流波形圖

圖1 單相交流點焊電源等效電路及電流波形圖

由式（1）知岩模，當(dāng) （晶閘管導(dǎo)通角）時， 糟秘，可得下式：

     （2）

對式（2）求解可得

     （3）

當(dāng)負載功率因數(shù) 一定是简逮，可解出α與導(dǎo)通角θ的關(guān)系。在已知Z條件下由式（1）和式（3）可得出瞬時電流值i尿赚。根據(jù)電流有效值的定義散庶，焊接電流有效值為：

              （4）

式中  T－周期（s）。

電流i(t)是不連續(xù)的脈動波形凌净，隨著晶閘管控制角的增加悲龟，不連續(xù)性增大。不連續(xù)區(qū)間焊接區(qū)被冷卻冰寻，造成總能量需求增大须教，接頭易過熱。此外斩芭，在相同的電流有效值的條件下轻腺，脈動電流的峰值相對平緩的直流幅值較高，帶來一些微型件點焊的工藝困難划乖。交流電源的電流控制響應(yīng)的最小時間可達10mS贬养。為適應(yīng)微型件精密點焊挤土，有的電源設(shè)計為帶半波控制的單脈沖加熱控制功能。

1.2 電容貯能電阻點焊電源

圖2為簡化的電容貯能電阻點焊電源簡化等效電路和電流波形圖郎博。電容貯能點焊電源的工作原理是單相或三相交流電經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)換成直流電巧杰，然后向電容器充電。電容器貯藏的電能量：

                   （5）

式中 W－貯存電能量（J）抱壶；

     C－電容器容量（F）谈嚣；

     Uc－充電電壓（V）。

電容貯能焊機調(diào)節(jié)焊接電流的方法主要有幾種院颜，一是改變貯能電容器組的充電電壓琅沟，隨著貯能電容器充電電壓增加，電流峰值增大路倔，但放電電流規(guī)律接近不變熏屎，總的能量輸出增大；其它的方法是改變焊接變壓器的匝數(shù)比或電容容量逮赋，隨著變壓器初級線圈匝數(shù)的減少京嗽，電流峰值增大，但通電時間縮短卓奄，總的輸出能量接近不變墨叛；增大電容容量則放電時間增長，總輸出能量增加模蜡。通常采用第一種調(diào)節(jié)方法漠趁。

電容貯能點焊機熱量集中，適合于銅忍疾、鋁等高導(dǎo)熱材料的點焊闯传，在電子工業(yè)中應(yīng)用廣泛。其主要

a) 等效電路圖

              b) 電流波形圖

圖2 電容貯能點焊電源等值電路及電流波形

問題是調(diào)節(jié)性差卤妒，電能的釋放不可控甥绿，不能進行反饋調(diào)節(jié)，與微型件的精密能量調(diào)節(jié)要求有差距则披，此外共缕，很高的電流峰值容易造成零件的熔毀。

電容貯能點焊機還存在其它一些缺點士复。電容貯能焊機能量轉(zhuǎn)換效率要比其它類型焊機低图谷，貯能電容器及焊接變壓器體積龐大，電力回路部分復(fù)雜阱洪，焊機成本高便贵，容量越大越高；貯能電容器經(jīng)常處于快速充放電過程中，介質(zhì)損耗大遂辐，壽命短等邦擎。

1.3逆變直流電阻點焊電源

圖3為逆變式直流點焊電源基本電路及輸出電流波形圖。由圖可知式涝，它先由三相交流電先經(jīng)整流器變換成紋波率低的直流，再經(jīng)過功率開關(guān)器件（如晶體管GTR酝遇、MOSFET图汪、IGBT、GTO等）構(gòu)成的逆變橋變成中頻方波供給中頻變壓器驳芙，經(jīng)變壓器降壓后再整流成脈動較小的直流供給電極對工件進行焊接讳汇。逆變器通常采用電流反饋脈寬調(diào)制獲得穩(wěn)定的恒流輸出。

a)等效電路圖

b)電流波形圖

圖3 逆變直流點焊電源及電流波形圖 

與一般單相工頻交流電阻點焊電源掰闯、電容貯能點焊電源比較枪第，逆變直流電阻點焊電源具有以下優(yōu)點：焊接變壓器小型輕量化；高速精密控制的钞、動態(tài)響應(yīng)性好兜蠕；輸出低脈動率的直流焊接電流；三相平衡負載抛寝、功率因數(shù)高熊杨、節(jié)能經(jīng)濟性好等。逆變直流

點焊電源雖然具有這么多優(yōu)點盗舰，但是目前其制造成本比較高晶府，電路相對復(fù)雜。對于微型件的點焊钻趋，由于其可控性好川陆，是比較理想的電源，功率電子器件的發(fā)展和逆變技術(shù)的成熟蛮位，這類電源逐步獲得了應(yīng)用较沪。考慮微型件點焊精密調(diào)節(jié)輸出能量和快速響應(yīng)速度的需要土至，電阻焊逆變電源技術(shù)需要進一步發(fā)展购对。

2          逆變直流電阻點焊電源調(diào)節(jié)的精密性

本文針對不同逆變直流電阻點焊電源進行實驗，并在實驗過程中獲取了實際的焊接電流波形陶因。實驗條件：DBZ300和DBZ-300A逆變點焊機（單相和三相）协包，額定電流3000A，逆變頻率4kHz忠牛；DBZ400逆變點焊機幔憋，三相，額定電流4000A，逆變頻率1kHz全乙；日本MIYACHI公司生產(chǎn)的MM－315AC焊接大電流測試儀測量電流偎洋；泰克公司生產(chǎn)的TDS2012型數(shù)字示波器測量波形；5mm厚的不銹鋼板作為實驗負載侄伟；用來測量焊接大電流的羅氏線圈睁奶。為便于分析，電源工作在開環(huán)狀態(tài)撇委，不采用電流反饋爵蝠，電流設(shè)定轉(zhuǎn)換為脈寬控制。圖4為用羅氏線圈測量的DBZ-400電源的次級電流感應(yīng)信號（曲線2）和經(jīng)過積分電路還原的焊接電流信號（曲線1）波形圖汪仰，脈寬設(shè)

圖4 羅氏線圈感應(yīng)信號和積分后的焊接電流波形

定為40%揩墓。試驗結(jié)果表明測試的可行性，下面分析各種條件下的電流波形典挑。

2.1    頻率分別為1kHz和4kHz的逆變電阻點焊電源的波形分析

頻率提高不僅可以減小鐵心截面積從而減小變壓器的體積和重量酥宴，而且可以提高控制精度，縮短控制周期您觉。例如工頻交流焊機的調(diào)節(jié)周期較長拙寡，對50Hz的電網(wǎng)，焊接時間調(diào)節(jié)分辨率為20ms琳水。逆變直流點焊機時間調(diào)節(jié)分辨率可達0.25ms（4kHz逆變頻率）倒庵，控制精度高。

    圖5 不同頻率逆變點焊電源的焊接電流波形圖

    圖5為不同頻率逆變直流點焊電源的焊接電流波形圖炫刷。曲線1為DBZ-300A（逆變頻率為4kHz）三相逆變點焊電源的結(jié)果擎宝，而曲線2為DBZ-400焊接電源（逆變頻率1kHz）的結(jié)果，電流用測量電壓表示浑玛，實際電流值分別為1.90kA和1.85kA绍申。頻率提高后，電流的紋波明顯減小顾彰。由于兩種電源的濾波電容不同极阅，DBZ-300A比DBZ-400小1/3，其電流波形有較明顯的300Hz波動蜻罕。通過比較分析可以看出蛹鼎，頻率越高，電流穩(wěn)定性越好涯贝，焊接時間調(diào)節(jié)分辨率越小列充，動態(tài)響應(yīng)越快。

2.2    三相和單相逆變電阻點焊電源的波形分析

圖6為DBZ-300和DBZ-300A（三相和單相）逆變點焊電源電流輸出波形圖跃呛，其中曲線1為三相逆變點焊電源電流波形频咨，而曲線2為單相。逆變頻率都為4kHz,脈寬設(shè)定為70%，用電流測試儀測得的電流分別為1.90kA和1.86kA埃账。從波形可以看出窑岖，

三相逆變點焊電源的輸出波形比單相的平穩(wěn)，單相逆變點焊電源的電流輸出波形上疊加了一個頻率約為100Hz的波動信號唱棍，而三相逆變點焊電源的現(xiàn)象就不太明顯匹惊，這主要是電源采用不同的供電相數(shù)，盡管兩臺電源采用的濾波電容相同估喷，整流濾波后單相波形的濾波明顯不足造成的迄埃，這也說明了單相供電電源存在較大的波動性。

2.3    同一電源不同脈寬設(shè)置輸出波形分析

上升時間兑障、焊接時間、脈寬等參數(shù)對逆變點焊電源電流輸出波形都有影響蕉汪。為了進一步了解脈寬設(shè)置對輸出電流的影響流译，本文用數(shù)字示波器對同一電源不同脈寬設(shè)置的點焊過程進行采樣記錄，并將所記錄數(shù)據(jù)處理者疤，結(jié)果見圖7福澡，其中脈寬設(shè)置1為最大脈寬、2為70%驹马、3為40%革砸。

圖7 不同脈寬設(shè)置的輸出電流波形圖

從圖7可以看出，隨著脈寬不斷加寬糯累，不僅輸出的電流增大（電流由小至大依次為1.08kA算利、1.90kA和2.45kA），而且電流波形波動加大泳姐。這主要是因為電流增大的同時電壓沒有發(fā)生變化效拭，輸出功率相應(yīng)增大。在大功率輸出的條件下门烧，電容容量較小使得濾波不足甜湾。因此，宜選用較大的濾波電容鹅棺。

3          精密逆變電阻點焊技術(shù)的發(fā)展方向

微型件的點焊比較困難兜充，為了提高點焊成品率與點焊質(zhì)量，擴大電阻點焊技術(shù)在微型零件制造中的應(yīng)用脂性，需要進一步發(fā)展精密電阻點焊技術(shù)雄睦。

（1）提高電源輸出調(diào)節(jié)分辨率和響應(yīng)速度。由于電阻點焊電流大汹振，受回路的限制妆跌，電阻點焊逆變電源采用的逆變頻率比弧焊或其它電源的逆變頻率低得多，通常采用1kHz左右，其調(diào)節(jié)分辨率和控制響應(yīng)速度相應(yīng)較低证账。近年來钢战，相繼有2kHz、4kz和5kHz的產(chǎn)品面市除踱，也有25kHz技術(shù)的報道弟头。對精密點焊，提高逆變頻率是必然趨勢涉茧。逆變頻率的提高需要在變壓器設(shè)計赴恨、減小回路損耗上下功夫，它們直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)伴栓。對微小零件的焊接伦连，焊接電源的容量較小，提高逆變頻率較容易實現(xiàn)钳垮，對大功率的電源則難度增大惑淳。微型件的精密點焊也可以采用模擬式晶體管電源，這類電源能量損耗較大饺窿，逆變電源的改善有望代替這類電源歧焦。

（2）改善焊接電流波形，提高焊接參數(shù)的工藝適應(yīng)性肚医。普通的電源設(shè)計為單次加熱绢馍、兩次加熱，復(fù)雜一些的電源有三次加熱或帶電流緩升緩降控制肠套。由于精密點焊涉及的結(jié)構(gòu)和材料復(fù)雜歇肖，這些波形不能滿足最佳焊接要求，如有的材料點焊采用去除氧化膜與調(diào)節(jié)起始焊接條件日俱，可以提高焊接的一致性挖榜。對精密點焊，要求波形精心設(shè)計辰稽，甚至包括波形的調(diào)控挣傻，使之與材料的加熱冷卻過程相適應(yīng)。

（3）發(fā)展精密點焊的實時質(zhì)量控制技術(shù)爷瓜。點焊過程實時控制是排除過程中各種干擾棵欧，提高生產(chǎn)成品率的重要手段∠碣耍控制方法包括工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制和質(zhì)量的反饋控制运荸。點焊質(zhì)量實時控制是一項重要的但長期沒有解決好的難題，采用多參數(shù)的智能控制的研究漏匹，有較好的前景吩擒。

（4）研制精密加壓系統(tǒng)质窒。焊接壓力對點焊相當(dāng)重要，微型件的焊接需要精密的加壓保證贷腕，包括小壓力穩(wěn)定性背镇、機械系統(tǒng)的隨動性（與焊接變形相適應(yīng)的快速反應(yīng)）、位置的適應(yīng)性與準(zhǔn)確的位置控制等泽裳。傳統(tǒng)的氣動加壓很難適應(yīng)精密點焊的要求瞒斩，采用彈簧壓縮量觸發(fā)焊接通電的方式也難準(zhǔn)確控制壓力。其它的加壓方式涮总，包括采用壓力傳感器反饋控制胸囱，需要進一步的探討。

（5）提升計算機應(yīng)用水平瀑梗。利用計算機模擬技術(shù)烹笔、數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立精密點焊的輔助系統(tǒng)，對相當(dāng)復(fù)雜的微型件的精密點焊應(yīng)用將會有良好的幫助抛丽。焊接數(shù)據(jù)的采集與記錄谤职，保證產(chǎn)品的可追溯性，對醫(yī)療器械等重要零件的焊接是十分重要的铺纽。具有聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精密點焊機的開發(fā)，為數(shù)據(jù)的記錄與更新提供方便哟忍，可方便地進行遠程監(jiān)視與控制诫瑞。

4  結(jié)論

（1）與工頻交流、電容貯能焊接電源比較融确，精密逆變點焊電源可控性好喘玄，對微型件的點焊有較好的工藝適應(yīng)性。

（2）精密逆變點焊電源的逆變頻率提高醒横，有利于提高控制分辨率蝗悼、電源的動態(tài)響應(yīng)和電流穩(wěn)定性。對微型件的精密點焊電源禁舌，需要進一步提高逆變頻率和改善電源設(shè)計出募。

（3）三相精密逆變點焊電源比單相穩(wěn)定，并且電網(wǎng)負荷平衡权煎。

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