作者：黃增好 曹彪 陳志宏
摘 要：介紹了微型零件常用點(diǎn)焊電源輸出的調(diào)節(jié)原理及特點(diǎn)，試驗(yàn)測試了單相逆變點(diǎn)焊電源和不同頻率的三相逆變點(diǎn)焊電源輸出的電流波形，探討了精密電阻點(diǎn)焊的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向。試驗(yàn)結(jié)果表明三相逆變點(diǎn)焊電源比單相穩(wěn)定，采用較高逆變頻率的逆變電阻點(diǎn)焊電源的控制精度高、電流穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞：電阻焊；精密焊接；逆變電源；焊接電流
0 序 言
在電子器件、醫(yī)療器械、傳感器等產(chǎn)品的制造中，涉及大量小尺寸零件的電阻點(diǎn)焊。尺寸微小使得焊接比較困難，主要問題包括焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、容易導(dǎo)致零件熔毀、難以形成正常熔合，焊接成品率低，有的零件甚至難以用一般的電阻點(diǎn)焊焊接。
為解決微型零件的電阻點(diǎn)焊問題，電阻點(diǎn)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(xì)調(diào)節(jié)、參數(shù)的精確控制和加壓機(jī)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)。本文側(cè)重電阻焊電源精細(xì)調(diào)節(jié)技術(shù)的探討。
電阻點(diǎn)焊電源提供電阻焊的電阻加熱能量，它的發(fā)展中相繼出現(xiàn)了單相工頻交流點(diǎn)焊電源﹑直流脈沖點(diǎn)焊電源﹑三相低頻點(diǎn)焊電源﹑次級整流點(diǎn)焊電源和電容儲能式點(diǎn)焊電源,上世紀(jì)80年代又出現(xiàn)了逆變式點(diǎn)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、電容貯能電源和逆變電源[3]。逆變電阻點(diǎn)焊電源的調(diào)節(jié)性顯著提高，相比較是一種較好的電源，但就逆變電阻點(diǎn)焊電源本身而言，相互有一定的差別。為實(shí)現(xiàn)微型零件的精密焊接，逆變電阻點(diǎn)焊電源技術(shù)需得到進(jìn)一步發(fā)展。
1 微型零件常用點(diǎn)焊電源輸出調(diào)節(jié)原理與特點(diǎn)
1.1 單相工頻交流點(diǎn)焊電源
單相晶閘管點(diǎn)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，便可調(diào)節(jié)焊接變壓器初級電流，控制次級焊接回路的焊接電流。
1.2 電容貯能電阻點(diǎn)焊電源
電容貯能點(diǎn)焊機(jī)還存在其它一些缺點(diǎn)。電容貯能焊機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率要比其它類型焊機(jī)低，貯能電容器及焊接變壓器體積龐大，電力回路部分復(fù)雜，焊機(jī)成本高，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，壽命短等。
1.3逆變直流電阻點(diǎn)焊電源
與一般單相工頻交流電阻點(diǎn)焊電源、電容貯能點(diǎn)焊電源比較，逆變直流電阻點(diǎn)焊電源具有以下優(yōu)點(diǎn)：焊接變壓器小型輕量化；高速精密控制、動態(tài)響應(yīng)性好；輸出低脈動率的直流焊接電流；三相平衡負(fù)載、功率因數(shù)高、節(jié)能經(jīng)濟(jì)性好等。逆變直流
點(diǎn)焊電源雖然具有這么多優(yōu)點(diǎn)，但是目前其制造成本比較高，電路相對復(fù)雜。對于微型件的點(diǎn)焊，由于其可控性好，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，這類電源逐步獲得了應(yīng)用。考慮微型件點(diǎn)焊精密調(diào)節(jié)輸出能量和快速響應(yīng)速度的需要，電阻焊逆變電源技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展。
2 逆變直流電阻點(diǎn)焊電源調(diào)節(jié)的精密性
本文針對不同逆變直流電阻點(diǎn)焊電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)過程中獲取了實(shí)際的焊接電流波形。實(shí)驗(yàn)條件：DBZ300和DBZ-300A逆變點(diǎn)焊機(jī)（單相和三相），額定電流3000A，逆變頻率4kHz；DBZ400逆變點(diǎn)焊機(jī)，三相，額定電流4000A，逆變頻率1kHz；日本MIYACHI公司生產(chǎn)的MM－315AC焊接大電流測試儀測量電流；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(shí)驗(yàn)負(fù)載；用來測量焊接大電流的羅氏線圈。為便于分析，電源工作在開環(huán)狀態(tài)，不采用電流反饋，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，脈寬設(shè)
2.1 頻率分別為1kHz和4kHz的逆變電阻點(diǎn)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，而且可以提高控制精度，縮短控制周期。例如工頻交流焊機(jī)的調(diào)節(jié)周期較長，對50Hz的電網(wǎng)，焊接時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率為20ms。逆變直流點(diǎn)焊機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)分辨率可達(dá)0.25ms（4kHz逆變頻率），控制精度高。
2.2 三相和單相逆變電阻點(diǎn)焊電源的波形分析
2.3 同一電源不同脈寬設(shè)置輸出波形分析
3 精密逆變電阻點(diǎn)焊技術(shù)的發(fā)展方向
微型件的點(diǎn)焊比較困難，為了提高點(diǎn)焊成品率與點(diǎn)焊質(zhì)量，擴(kuò)大電阻點(diǎn)焊技術(shù)在微型零件制造中的應(yīng)用，需要進(jìn)一步發(fā)展精密電阻點(diǎn)焊技術(shù)。
（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(diǎn)焊電流大，受回路的限制，電阻點(diǎn)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。近年來，相繼有2kHz、4kz和5kHz的產(chǎn)品面市，也有25kHz技術(shù)的報(bào)道。對精密點(diǎn)焊，提高逆變頻率是必然趨勢。逆變頻率的提高需要在變壓器設(shè)計(jì)、減小回路損耗上下功夫，它們直接影響產(chǎn)品的品質(zhì)。對微小零件的焊接，焊接電源的容量較小，提高逆變頻率較容易實(shí)現(xiàn)，對大功率的電源則難度增大。微型件的精密點(diǎn)焊也可以采用模擬式晶體管電源，這類電源能量損耗較大，逆變電源的改善有望代替這類電源。
（2）改善焊接電流波形，提高焊接參數(shù)的工藝適應(yīng)性。普通的電源設(shè)計(jì)為單次加熱、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。由于精密點(diǎn)焊涉及的結(jié)構(gòu)和材料復(fù)雜，這些波形不能滿足最佳焊接要求，如有的材料點(diǎn)焊采用去除氧化膜與調(diào)節(jié)起始焊接條件，可以提高焊接的一致性。對精密點(diǎn)焊，要求波形精心設(shè)計(jì)，甚至包括波形的調(diào)控，使之與材料的加熱冷卻過程相適應(yīng)。
（3）發(fā)展精密點(diǎn)焊的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制技術(shù)。點(diǎn)焊過程實(shí)時(shí)控制是排除過程中各種干擾，提高生產(chǎn)成品率的重要手段。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。點(diǎn)焊質(zhì)量實(shí)時(shí)控制是一項(xiàng)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，有較好的前景。
（4）研制精密加壓系統(tǒng)。焊接壓力對點(diǎn)焊相當(dāng)重要，微型件的焊接需要精密的加壓保證，包括小壓力穩(wěn)定性、機(jī)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。傳統(tǒng)的氣動加壓很難適應(yīng)精密點(diǎn)焊的要求，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，包括采用壓力傳感器反饋控制，需要進(jìn)一步的探討。
（5）提升計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平。利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立精密點(diǎn)焊的輔助系統(tǒng)，對相當(dāng)復(fù)雜的微型件的精密點(diǎn)焊應(yīng)用將會有良好的幫助。焊接數(shù)據(jù)的采集與記錄，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。具有聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精密點(diǎn)焊機(jī)的開發(fā)，為數(shù)據(jù)的記錄與更新提供方便，可方便地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。
4 結(jié)論
（1）與工頻交流、電容貯能焊接電源比較，精密逆變點(diǎn)焊電源可控性好，對微型件的點(diǎn)焊有較好的工藝適應(yīng)性。
（2）精密逆變點(diǎn)焊電源的逆變頻率提高，有利于提高控制分辨率、電源的動態(tài)響應(yīng)和電流穩(wěn)定性。對微型件的精密點(diǎn)焊電源，需要進(jìn)一步提高逆變頻率和改善電源設(shè)計(jì)。
（3）三相精密逆變點(diǎn)焊電源比單相穩(wěn)定，并且電網(wǎng)負(fù)荷平衡。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 王笑川,劉明宇,艾雍宜.精密點(diǎn)焊電源任意波形控制系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報(bào),1998,19(4):226～230.
