微型零件精密电阻点焊电源技术探讨

huahua

摘 要：介绍了微型零件常用点焊电源输出的调节原理及特点，试验测试了单相逆变点焊电源和不同频率的三相逆变点焊电源输出的电流波形，探讨了精密电阻点焊的关键技术的发展方向。试验结果表明三相逆变点焊电源比单相稳定，采用较高逆变频率的逆变电阻点焊电源的控制精度高、电流稳定性好。

关键词：电阻焊；精密焊接；逆变电源；焊接电流

0 序 言

在电子器件、医疗器械、传感器等产品的制造中，涉及大量小尺寸零件的电阻点焊。尺寸微小使得焊接比较困难，主要问题包括焊接质量不稳定、容易导致零件熔毁、难以形成正常熔合，焊接成品率低，有的零件甚至难以用一般的电阻点焊焊接。

为解决微型零件的电阻点焊问题，电阻点焊技术需向更加精密的方向发展。电阻焊的精密性包括电源的精细调节、参数的精确控制和加压机构的精密稳定等多个方面，多技术集成构成精密电阻焊系统。本文侧重电阻焊电源精细调节技术的探讨。

电阻点焊电源提供电阻焊的电阻加热能量，它的发展中相继出现了单相工频交流点焊电源﹑直流脉冲点焊电源﹑三相低频点焊电源﹑次级整流点焊电源和电容储能式点焊电源,上世纪80年代又出现了逆变式点焊电源[1][2]。用于微型零件焊接的电源主要有单相交流电源、电容贮能电源和逆变电源[3]。逆变电阻点焊电源的调节性显著提高，相比较是一种较好的电源，但就逆变电阻点焊电源本身而言，相互有一定的差别。为实现微型零件的精密焊接，逆变电阻点焊电源技术需得到进一步发展。

1 微型零件常用点焊电源输出调节原理与特点

1.1 单相工频交流点焊电源

单相晶闸管点焊电源等效电路和电流波形如图1所示。改变晶闸管的控制角α，便可调节焊接变压器初级电流，控制次级焊接回路的焊接电流。

1.2 电容贮能电阻点焊电源

电容贮能点焊机还存在其它一些缺点。电容贮能焊机能量转换效率要比其它类型焊机低，贮能电容器及焊接变压器体积庞大，电力回路部分复杂，焊机成本高，容量越大越高；贮能电容器经常处于快速充放电过程中，介质损耗大，寿命短等。

1.3逆变直流电阻点焊电源

与一般单相工频交流电阻点焊电源、电容贮能点焊电源比较，逆变直流电阻点焊电源具有以下优点：焊接变压器小型轻量化；高速精密控制、动态响应性好；输出低脉动率的直流焊接电流；三相平衡负载、功率因数高、节能经济性好等。逆变直流

点焊电源虽然具有这么多优点，但是目前其制造成本比较高，电路相对复杂。对于微型件的点焊，由于其可控性好，是比较理想的电源，功率电子器件的发展和逆变技术的成熟，这类电源逐步获得了应用。考虑微型件点焊精密调节输出能量和快速响应速度的需要，电阻焊逆变电源技术需要进一步发展。

2 逆变直流电阻点焊电源调节的精密性

本文针对不同逆变直流电阻点焊电源进行实验，并在实验过程中获取了实际的焊接电流波形。实验条件：DBZ300和DBZ-300A逆变点焊机（单相和三相），额定电流3000A，逆变频率4kHz；DBZ400逆变点焊机，三相，额定电流4000A，逆变频率1kHz；日本MIYACHI公司生产的MM－315AC焊接大电流测试仪测量电流；泰克公司生产的TDS2012型数字示波器测量波形；5mm厚的不锈钢板作为实验负载；用来测量焊接大电流的罗氏线圈。为便于分析，电源工作在开环状态，不采用电流反馈，电流设定转换为脉宽控制。图4为用罗氏线圈测量的DBZ-400电源的次级电流感应信号（曲线2）和经过积分电路还原的焊接电流信号（曲线1）波形图，脉宽设   

2.1 频率分别为1kHz和4kHz的逆变电阻点焊电源的波形分析

频率提高不仅可以减小铁心截面积从而减小变压器的体积和重量，而且可以提高控制精度，缩短控制周期。例如工频交流焊机的调节周期较长，对50Hz的电网，焊接时间调节分辨率为20ms。逆变直流点焊机时间调节分辨率可达0.25ms（4kHz逆变频率），控制精度高。

2.2 三相和单相逆变电阻点焊电源的波形分析

2.3 同一电源不同脉宽设置输出波形分析

3 精密逆变电阻点焊技术的发展方向

微型件的点焊比较困难，为了提高点焊成品率与点焊质量，扩大电阻点焊技术在微型零件制造中的应用，需要进一步发展精密电阻点焊技术。

（1）提高电源输出调节分辨率和响应速度。由于电阻点焊电流大，受回路的限制，电阻点焊逆变电源采用的逆变频率比弧焊或其它电源的逆变频率低得多，通常采用1kHz左右，其调节分辨率和控制响应速度相应较低。近年来，相继有2kHz、4kz和5kHz的产品面市，也有25kHz技术的报道。对精密点焊，提高逆变频率是必然趋势。逆变频率的提高需要在变压器设计、减小回路损耗上下功夫，它们直接影响产品的品质。对微小零件的焊接，焊接电源的容量较小，提高逆变频率较容易实现，对大功率的电源则难度增大。微型件的精密点焊也可以采用模拟式晶体管电源，这类电源能量损耗较大，逆变电源的改善有望代替这类电源。

（2）改善焊接电流波形，提高焊接参数的工艺适应性。普通的电源设计为单次加热、两次加热，复杂一些的电源有三次加热或带电流缓升缓降控制。由于精密点焊涉及的结构和材料复杂，这些波形不能满足最佳焊接要求，如有的材料点焊采用去除氧化膜与调节起始焊接条件，可以提高焊接的一致性。对精密点焊，要求波形精心设计，甚至包括波形的调控，使之与材料的加热冷却过程相适应。

（3）发展精密点焊的实时质量控制技术。点焊过程实时控制是排除过程中各种干扰，提高生产成品率的重要手段。控制方法包括工艺参数的稳定控制和质量的反馈控制。点焊质量实时控制是一项重要的但长期没有解决好的难题，采用多参数的智能控制的研究，有较好的前景。

（4）研制精密加压系统。焊接压力对点焊相当重要，微型件的焊接需要精密的加压保证，包括小压力稳定性、机械系统的随动性（与焊接变形相适应的快速反应）、位置的适应性与准确的位置控制等。传统的气动加压很难适应精密点焊的要求，采用弹簧压缩量触发焊接通电的方式也难准确控制压力。其它的加压方式，包括采用压力传感器反馈控制，需要进一步的探讨。

（5）提升计算机应用水平。利用计算机模拟技术、数据库技术建立精密点焊的辅助系统，对相当复杂的微型件的精密点焊应用将会有良好的帮助。焊接数据的采集与记录，保证产品的可追溯性，对医疗器械等重要零件的焊接是十分重要的。具有联网技术的精密点焊机的开发，为数据的记录与更新提供方便，可方便地进行远程监视与控制。

4 结论

（1）与工频交流、电容贮能焊接电源比较，精密逆变点焊电源可控性好，对微型件的点焊有较好的工艺适应性。

（2）精密逆变点焊电源的逆变频率提高，有利于提高控制分辨率、电源的动态响应和电流稳定性。对微型件的精密点焊电源，需要进一步提高逆变频率和改善电源设计。

（3）三相精密逆变点焊电源比单相稳定，并且电网负荷平衡。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会焊接学会.电阻焊理论与实践[M].北京:机械工业出版社,1994.

[2] 赵熹华.压力焊[M].北京:机械工业出版社,1989.

[3] 王笑川,刘明宇,艾雍宜.精密点焊电源任意波形控制系统[J].焊接学报,1998,19(4):226～230