作者：黃增好 曹彪 陳志宏
摘 要：介紹了微型零件常用點焊電源輸出的調(diào)節(jié)原理及特點，試驗測試了單相逆變點焊電源和不同頻率的三相逆變點焊電源輸出的電流波形，探討了精密電阻點焊的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向。試驗結(jié)果表明三相逆變點焊電源比單相穩(wěn)定，采用較高逆變頻率的逆變電阻點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焊焊接。
為解決微型零件的電阻點焊問題，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)、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)。本文側(cè)重電阻焊電源精細調(diào)節(jié)技術(shù)的探討。
電阻點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、電容貯能電源和逆變電源[3]。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，但就逆變電阻點焊電源本身而言，相互有一定的差別。為實現(xiàn)微型零件的精密焊接，逆變電阻點焊電源技術(shù)需得到進一步發(fā)展。
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，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 電容貯能電阻點焊電源
電容貯能點焊機還存在其它一些缺點。電容貯能焊機能量轉(zhuǎn)換效率要比其它類型焊機低，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逆變直流電阻點焊電源
與一般單相工頻交流電阻點焊電源、電容貯能點焊電源比較，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、動態(tài)響應(yīng)性好；輸出低脈動率的直流焊接電流；三相平衡負載、功率因數(shù)高、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，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?？紤]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，電阻焊逆變電源技術(shù)需要進一步發(fā)展。
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。實驗條件：DBZ300和DBZ-300A逆變點焊機（單相和三相），額定電流3000A，逆變頻率4kHz；DBZ400逆變點焊機，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驗負載；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。例如工頻交流焊機的調(diào)節(jié)周期較長，對50Hz的電網(wǎng)，焊接時間調(diào)節(jié)分辨率為20ms。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），控制精度高。
2.2 三相和單相逆變電阻點焊電源的波形分析
2.3 同一電源不同脈寬設(shè)置輸出波形分析
3 精密逆變電阻點焊技術(shù)的發(fā)展方向
微型件的點焊比較困難，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，需要進一步發(fā)展精密電阻點焊技術(shù)。
（1）提高電源輸出調(diào)節(jié)分辨率和響應(yīng)速度。由于電阻點焊電流大，受回路的限制，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。近年來，相繼有2kHz、4kz和5kHz的產(chǎn)品面市，也有25kHz技術(shù)的報道。對精密點焊，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、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現(xiàn)，對大功率的電源則難度增大。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，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。對精密點焊，要求波形精心設(shè)計，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)展精密點焊的實時質(zhì)量控制技術(shù)。點焊過程實時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，有較好的前景。
（4）研制精密加壓系統(tǒng)。焊接壓力對點焊相當重要，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)性與準確的位置控制等。傳統(tǒng)的氣動加壓很難適應(yīng)精密點焊的要求，采用彈簧壓縮量觸發(fā)焊接通電的方式也難準確控制壓力。其它的加壓方式，包括采用壓力傳感器反饋控制，需要進一步的探討。
（5）提升計算機應(yīng)用水平。利用計算機模擬技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立精密點焊的輔助系統(tǒng)，對相當復(fù)雜的微型件的精密點焊應(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)的精密點焊機的開發(fā)，為數(shù)據(jù)的記錄與更新提供方便，可方便地進行遠程監(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，精密逆變點焊電源可控性好，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，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。對微型件的精密點焊電源，需要進一步提高逆變頻率和改善電源設(shè)計。
（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。
參考文獻：
[1] 中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.電阻焊理論與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,1994.
[2] 趙熹華.壓力焊[M].北京:機械工業(yè)出版社,1989.
[3] 王笑川,劉明宇,艾雍宜.精密點焊電源任意波形控制系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報,1998,19(4):226～230.
