LDWS522組裝機(jī)焊接電源改造及工藝優(yōu)化

曾偉元

摘 要：LDWS522組裝機(jī)的焊接機(jī)構(gòu)用來(lái)將金屬引線焊接到芯子上，從而形成半成品的電容，因此焊接質(zhì)量的好壞直接導(dǎo)致電容的高頻損耗角正切值變大，產(chǎn)品在使用過(guò)程中發(fā)熱嚴(yán)重，產(chǎn)品加速老化，最終引起電性能失效，甚至發(fā)生火災(zāi)事故。目前LDWS522型組裝機(jī)的焊接電源采用的是恒電壓控制模式的交流焊接電源，該類(lèi)型電源控制精度低，能量輸出不穩(wěn)定，在生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)虛焊、焊接過(guò)緊等不良現(xiàn)象，隨著客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提升和小型化電容產(chǎn)品設(shè)計(jì)的增多，該焊接電源已越來(lái)越無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，因此改善LDS522型組裝機(jī)焊接系統(tǒng)，便成了解決當(dāng)前矛盾的首要任務(wù)。

關(guān)鍵詞：LDWS522組裝機(jī)；焊接電源；改造；工藝優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0004-03

1 電阻點(diǎn)焊的工作原理及影響焊接的因素

LDWS522型組裝機(jī)所使用的焊接電源是電阻點(diǎn)焊機(jī)。焊接方式，如圖1所示，電阻點(diǎn)焊方法是一種利用工件自身的電阻、施加在工件上的加壓力和通過(guò)的大電流，在工件接觸部位產(chǎn)生焦耳熱（公式如下所示）而進(jìn)行熔融的金屬連接方法。

Q=KI2RT（1）

其中：K為系數(shù)；

R為焊接部位的電阻（Ω）；

I為焊接電流（A）；

T為焊接時(shí)間（sec）。

1.1 電阻R 及影響R 的因素

電極間電阻包括引線本身電阻R1，電容端面噴金層本身電阻R2，引線與噴金層間接觸電阻R3，電極與引線間接觸電阻R4。即：

R=R1+R2+R3+R4（2）

當(dāng)工件和電極一定時(shí)，工件的電阻取決與它的電阻率.因此，電阻率是被焊材料的重要性能.電阻率高的金屬其導(dǎo)電性差（如不銹鋼），電阻率低的金屬其導(dǎo)電性好（如鋁合金）。因此，點(diǎn)焊不銹鋼時(shí)產(chǎn)熱易而散熱難，點(diǎn)焊鋁合金時(shí)產(chǎn)熱難而散熱易.點(diǎn)焊時(shí)，前者可用較小電流（幾千安培），而后者就必須用很大電流（幾萬(wàn)安培）。電阻率不僅取決與金屬種類(lèi)，還與金屬的熱處理狀態(tài)、加工方式及溫度有關(guān)。

接觸電阻存在的時(shí)間是短暫，一般存在于焊接初期，由于工件和電極表面有高電阻系數(shù)的氧化物或臟物質(zhì)層，會(huì)使電流遭到較大阻礙。過(guò)厚的氧化物和臟物質(zhì)層甚至?xí)闺娏鞑荒軐?dǎo)通。

1.2 焊接電流的影響

從公式（1）可見(jiàn)，電流對(duì)產(chǎn)熱的影響比電阻和時(shí)間兩者都大。

因此，在焊接過(guò)程中，它是一個(gè)必須嚴(yán)格控制的參數(shù)。引起電流變化的主要原因是電網(wǎng)電壓波動(dòng)和交流焊機(jī)次級(jí)回路阻抗變化。

焊接電流可以如下方法比較簡(jiǎn)單地求得。最初設(shè)定較低的焊接電流，如果逐漸增大焊接電流，會(huì)發(fā)生飛濺。比發(fā)生飛濺時(shí)的電流值稍低的電流值就是適當(dāng)?shù)碾娏鳌ｋ娏髦蹈鶕?jù)焊接機(jī)加壓系統(tǒng)的追隨性的不同而不同。焊接機(jī)的追隨性愈好，愈容易施加較小的加壓力和大的導(dǎo)通電流，即獲得最佳的焊接效果。

1.3 焊接時(shí)間的影響

為了保證熔核尺寸和焊點(diǎn)強(qiáng)度，焊接時(shí)間與焊接電流在一定范圍內(nèi)可以相互補(bǔ)充。

為了獲得一定強(qiáng)度的焊點(diǎn)，可以采用大電流和短時(shí)間（強(qiáng)條件，又稱硬規(guī)范），也可采用小電流和長(zhǎng)時(shí)間（弱條件，也稱軟規(guī)范）。選用硬規(guī)范還是軟規(guī)范，取決于金屬的性能、厚度和所用焊機(jī)的功率。

對(duì)于不同性能和厚度的金屬所需的電流和時(shí)間，都有一個(gè)上下限，使用時(shí)以此為準(zhǔn)。

1.4 電極壓力的影響

電極壓力對(duì)兩電極間總電阻R有明顯的影響，隨著電極壓力的增大，R顯著減小，而焊接電流增大的幅度卻不大，不能 影響因R減小引起的產(chǎn)熱減少。

因此，焊點(diǎn)強(qiáng)度總隨著焊接壓力增大而減小。解決的辦法是在增大焊接壓力的同時(shí)，增大焊接電流。

1.5 電極形狀及材料性能的影響

由于電極的接觸面積決定著電流密度，電極材料的電阻率和導(dǎo)熱性關(guān)系著熱量的產(chǎn)生和散失，因此，電極的形狀和材料對(duì)熔核的形成有顯著影響。

隨著電極端頭的變形和磨損，接觸面積增大，焊點(diǎn)強(qiáng)度將降低。

1.6 工件表面狀況的影響

工件表面的氧化物、污垢、油和其他雜質(zhì)增大了接觸電阻。過(guò)厚的氧化物層甚至?xí)闺娏鞑荒芡ㄟ^(guò)。局部的導(dǎo)通，由于電流密度過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生飛濺和表面燒損。

氧化物層的存在還會(huì)影響各個(gè)焊點(diǎn)加熱的不均勻性，引起焊接質(zhì)量波動(dòng)。因此徹底清理工件表面是保證獲得優(yōu)質(zhì)接頭的必要條件。

2 常見(jiàn)焊接電源的種類(lèi)與控制模式

2.1 常見(jiàn)焊接電源的種類(lèi)及特性

常見(jiàn)的電阻焊接電源的焊接波形圖，如圖2所示。接下來(lái)我將對(duì)這些焊接電源特點(diǎn)進(jìn)行一一介紹。

①交流式焊接電源。

這種焊接電源就是我們現(xiàn)在使用的電源，它的特點(diǎn)是：最普遍使用的焊接電源，構(gòu)造較簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單并且價(jià)格低廉，但是熱效能不是很好，容易發(fā)生熱影響，控制精度差，不適合超精密度焊接，相比較而言適用于容易焊接的材料。

②電容儲(chǔ)能式焊接電源。

特點(diǎn)：電容器充電后，流出大電流，適用于熱傳導(dǎo)性能優(yōu)越材料如鋁鎳、銅等。電容充電后即使輸入電源容量變小了也能進(jìn)行穩(wěn)定地焊接。但從焊接波形圖中我們可以看到因?yàn)殡娏骷彼偕仙荒芸刂破鋬A斜角，容易產(chǎn)生飛濺，所以該焊接電源不適合我們使用。

③晶體管式焊接電源。

特點(diǎn)：電流通過(guò)晶體管能夠細(xì)微的調(diào)整電流，能抑制飛濺，能進(jìn)行超精密焊接，電流的控制速度很快，所以可以在極細(xì)線（電燈的燈絲等）的焊接上使用，最適合于高阻焊材質(zhì)，因我們是焊接銅、錫材料，屬于低阻焊材質(zhì)，因此晶體管式焊接電源也不太適合我們使用。

④直流逆變式焊接電源。

特點(diǎn)：熱效率好，焊接時(shí)間短（能夠控制到1 ms，甚至更短），熱影響少，而且通過(guò)逆變式高速回路控制，能夠有效防止飛濺，保證焊接品質(zhì)，適用于超精密焊接。因此該類(lèi)型焊接電源適用我司焊接需求。

2.2 焊接電源控制模式及特性

目前常見(jiàn)的焊接電源一般采用恒電壓、恒電流這兩種控制模式，特性如下：

①恒電壓控制模式。

指在整個(gè)焊接過(guò)程中電壓保持一致，這種控制模式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單但存在缺陷，根據(jù)公式：I=U/R 的原理，R變大，I就會(huì)變小，導(dǎo)致整個(gè)焊接回路電流變小，在R大到一定值時(shí)，甚至無(wú)法保證有效回路的形成，導(dǎo)致產(chǎn)品虛焊。

②恒電流控制模式。

指在焊接過(guò)程中電流輸出保持不變，通常情況下能夠確保焊接的有效，但是根據(jù)公式一，如果回路中焊接點(diǎn)存在氧化層或污穢，導(dǎo)致回路中電阻變大，焊點(diǎn)電壓過(guò)高，一旦回路擊破，容易產(chǎn)生飛濺，導(dǎo)致虛焊。

3 LDWS522組裝機(jī)焊接系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 優(yōu) 點(diǎn)

目前LDWS522組裝機(jī)選用的是恒電壓控制的交流焊接機(jī)，交流焊接機(jī)是最普遍使用的焊接電源，這種焊接電源優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造較簡(jiǎn)單，操作方便并且價(jià)格低廉。

3.2 焊接電源的控制精度低，控制方式存在缺陷，無(wú)法滿 足小型化產(chǎn)品需求

交流焊接機(jī)有其優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)也同樣很明顯。

缺點(diǎn)1：該類(lèi)型焊接電源輸出只能以整數(shù)個(gè)周波數(shù)來(lái)設(shè)定，一個(gè)周波數(shù)的輸出是20 ms，也就是說(shuō)這種電源控制的精度是20 ms，在小型化產(chǎn)品越來(lái)越多的今天，這種粗放的控制模式已無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，我們的維修人員在生產(chǎn)調(diào)機(jī)中往往發(fā)現(xiàn)多一個(gè)周波數(shù)會(huì)出現(xiàn)焊的太死，而少一個(gè)周末又會(huì)虛焊的問(wèn)題。

缺點(diǎn)2：該類(lèi)型焊接電源采用恒電壓控制方式，根據(jù)前面分析，回路電阻足夠大時(shí)，產(chǎn)品容易虛焊。

4 LDWS522組裝機(jī)焊接系統(tǒng)的改進(jìn)

以上分析了常用焊接電源的工作原理以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，從我公司的焊接小芯子產(chǎn)品的實(shí)際要求考慮，本次改造設(shè)計(jì)用直流逆變式焊接電源，且采用恒功率控制模式，接下來(lái)分析一下直流逆變式焊接電源的原理及特性。

4.1 直流逆變式的工作原理

電路圖，如圖3所示。

從該電路圖可以看出逆變電焊機(jī)的基本工作原理：先將工頻（50 Hz）交流電，經(jīng)三相橋式整流器整流和濾波變成直流，再通過(guò)大功率開(kāi)關(guān)電子元件IGBT，逆變成幾10 kHz的中高頻交流電，同時(shí)經(jīng)變壓器降至適合于焊接的低電壓，再次整流并經(jīng)電抗濾波輸出相當(dāng)平穩(wěn)的直流焊接電流。

其變換順序可簡(jiǎn)單地表示為：工頻交流（經(jīng)整流濾波）→直流（經(jīng)逆變）→中頻交流（降壓、整流、濾波）→直流。即為：AC→DC→AC→DC。

該電路中用到的開(kāi)關(guān)電子元件IGBT為雙極型絕緣效應(yīng)管，其開(kāi)關(guān)頻率在20～30 kHz之間，并且它可以通過(guò)大電流（100 A以上），而且由于外封裝引腳間距大，爬電距離大，能抵御環(huán)境高壓的影響，安全可靠。

4.2 直流逆變式焊接電源的高精度控制特性

焊接波形圖，如圖4所示。

從焊接波形可以看到該焊接電源分兩段波形輸出，且可以對(duì)每段波形單獨(dú)設(shè)置電流上升的斜率、焊接時(shí)間及冷卻時(shí)間，控制精度達(dá)到1 ms，比原來(lái)的20 ms提高了20倍。

4.3 直流逆變式焊接電源的恒功率控制特性

恒電壓、恒電流控制都存在一定的缺陷，為了達(dá)到更好的控制，本次改造我們?cè)O(shè)計(jì)用恒功率控制模式， 恒功率焊接就是通過(guò)電流和電壓的閉環(huán)，控制恒定的輸出功率。即同時(shí)建立輸出的電壓、電流反饋閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出功率，這樣即保證了足夠高的擊穿電壓，又保證了建立有效電回路所需的焊接電流，而且有效防止飛濺的產(chǎn)生。其電壓電流和功率示意圖，如圖5所示。

4.4 焊接參數(shù)的確定

前面我們完成了硬件方面焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，同時(shí)也完成了整個(gè)電路的接線，PLC控制器的編程，接下來(lái)就是工藝參數(shù)的重新確定，在這個(gè)過(guò)程中我們做了大量的實(shí)驗(yàn)，最終確定了能夠保證穩(wěn)定焊接的工藝參數(shù)，見(jiàn)表1。

5 結(jié) 語(yǔ)

LDWS522組裝機(jī)焊接電源改造后電流控制精度度提升至1 mm級(jí)，同時(shí)采用高可靠性的恒功率控制模式，通過(guò)這兩項(xiàng)改造使我們的焊機(jī)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，有效解決了小芯子電容在LDWS522組裝機(jī)上的焊接難題，焊接效果得到明顯的改善，經(jīng)過(guò)近半年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：焊接不良率由改造前的平均0.58%，下降到改造后的0.1%。按我廠每年生產(chǎn)6億只產(chǎn)品計(jì)算，每年可多增加【60 000萬(wàn)*（0.58%-0.1%）=288萬(wàn)】只合格產(chǎn)品，節(jié)約生產(chǎn)成本約57.6萬(wàn)元/年。

LDWS522組裝機(jī)焊接系統(tǒng)改造成功，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，更重要的是保證了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。該創(chuàng)新在公司2012年度創(chuàng)新獎(jiǎng)評(píng)比中得到專家組的肯定，獲公司創(chuàng)新一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張光先.逆變焊機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] L-CDG1BN32-440，L-CDG1BN32-430，氣動(dòng)元件產(chǎn)品目錄[S].

[3] 張興，杜少武，黃海宏.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.