控制点焊焊接电流方向的方法设计.pdf

l 訇 化 控制点焊焊接电流方向的方法设计 Th e m e t h od desi gn of con t r ol sp ot w el di ng cur r en t di r ect i on 段瑞 董建涛 罗震 罗宇璨 冯梦楠 DUAN Ru i DONG J i a n t a o L UO Zh en L UO Yu c a n FENG Me n g n a n 1 天津大学 材料科学与工程学院 天津 3 0 0 0 7 2 2 首都航天机械公司 北京 1 0 0 0 7 6 摘要 针对点焊过程中电流方向对熔核形核及焊点质量影响的问题 设计了一种控制点焊焊接电流方 向的方法 并通过P s p i c e 软件仿真对采用该方法的电路进行了深人研究 建立了电路简化仿 真模型 结果表明该方法切实可行 控制精度高 保证了焊接效率 对将来点焊电源的设计 制造有一定指导意义 关键词 电阻焊 点焊电流 P s l3 i c e 仿真 I G B T 中图分类号 T H 1 3 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 0 6 上 一 0 1 7 5 0 3 D o i 1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 0 6 t 5 2 0 引言 随着航空航天 电子 汽车 家用 电器 等工 业的发展 电阻焊越来越受到广泛 的应用 同时 对 电阻焊 的点焊接头质量也提 出了更高 的要求 通过对传 统的一对电极 的电阻点焊熔核横截面进 行观察 发现熔合 区保 留着铸态组织形貌 在熔 合线附近联 生结晶形核 后 晶粒 最易沿着散热最 快的方 向 或温度梯度最大 的方 向 优先增长 一 直长到熔核 的中心 最终形成粗大 的柱状晶 而粗的的柱状 晶对接头强度等方面有 着不 良的影 响 这对焊接质量的进一步提高形成了局限 在 对等厚板件点焊过程 中可 能出现的 电极偏 心和电极倾斜的情况进行有限元模拟过程中I 3 发现 由于通过被焊板件 的焊接电流方向发生一定 程度 的偏斜 在该 电流影 响下 的熔 核温度场分布 相 比正常情况下 的点焊过程也 发生了不同程度的 偏斜 如 图l 所 示 这种 偏斜会 使焊接 处 的等轴 晶 柱状 晶组织的分布发生一定的变化 a 电极偏心 b 电极倾斜 图 1温度场有限元模拟 本文根据 电流方 向变化对熔 核组织的影 响 设计 了一种通过控制 改变流经点焊接头处的焊接 电流方 向 从 而 限制 熔核 处粗 大 柱状 晶体 的形 成 使其 晶粒变细小 进而达到提高点焊 接头 强 度的点焊焊接电流方 向控制方法 1 控制点焊焊接电流方向电路设计 控制电流方 向电路设计如图2 所示 将传统点 焊逆变 电源的输 出端上下两个电极变为三 个上 电 极和三个下电极 并在每个电极处设 置的独立的 I GB T 桥臂开关和驱动信号源 使用I GB T 对每个 电极的导通进行控制 使点焊过程 中形成类似 电 极偏心 或 电极倾斜 的效果 实现对电流方向 的改变 进而实现对点焊接头组织晶粒细化 图2 控制电流方向电路 收稿日期 2 0 1 3 0 4 2 6 作者简介 段瑞 1 9 9 0一 男 天津人 在读硕士 主要从事电阻点焊电源方面的研究 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 0 6 I 1 7 5 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 造 匐 似 六组I GB T 及其 驱动信号根据实际焊接需要 按一定的顺序 开通 或关 断 从而控制六个直接可 控电极 A B C D E F 的输 出 焊接 电 流方 向参见 图3 图中椭 圆为传统 点焊的熔核 例 如 桥臂Z1 Z 4 开通 其他桥 臂关 断 则此时参 与点焊的上 电极为电极A 下电极为电极D 电流 方向为1 通过上下共6 个电极的分别开关 可 以 配合产生9 种不同的焊接电流方向 对焊接电流方 向进行优化配 合 就 可以改善熔核的结晶形态 达到提高点焊接头强度的 目的 图3 焊接 电流方向示意图 2 控 制点焊焊接 电流 方 向电路仿真 及结果 根据设计的 电路 图 针对 图3 中电流方 向3 5 7 配合使用的情况进行P s p i c e 电路简化仿真 J 仿真 电路 图如图4 所示 其 中V1 为逆变 电源3 V直 流输出 R1 为电流方向3 情 况下的被焊板件等效电 阻 R 2 为电流方向5 情况下的被焊板件等效 电阻 R 3 为电流方向7 情况下 的被焊板件等效电阻 均设 置为0 0 0 0 1 5 Q 驱动信号周期均为0 0 0 3 s 为避 免 电路相应时 间延迟造成不必要 的电流叠加 驱 动脉冲宽度设为0 0 0 0 9 9 s V2 V3 V4 之间脉冲 起始时间相差0 0 0 l s 驱动信号波形如图5 所示 图4 仿真电路图 I 1 7 6 1 第3 5 卷第6 期2 0 1 3 0 6 上 a Z1 Z 6 驱动信号 b Z2 Z5 驱动信 号 c Z3 Z 4 驱 动 信 号 图5 驱动信号波形示意 图 由于 点焊过程 中热源主要是来 自于 电阻热 即 与 电阻上 的 电流 值 有关 所 以观察 等效 电阻 R1 R2 R 3的电流波形 仿真结果如图6 所示 R1 R 2 R3 电流波形之和 即连续通过被焊工件 的仿真电流波形如图7 所示 a R1 电流波形 b R2 电流 波形 c R3 电流 波形 图6仿真结 果示 意图 1 I l l l l 图7 Rl R 2 R 3 电流波形之和 从图6 中看 出每个等效电阻的电流时间与其对 应的驱动信号时间相一致 由图7 发现由于将驱动 信号脉冲宽度值设置为0 0 0 0 9 9 s 小于3 路驱动信 号 周期之 和的三分之一 即添加了0 0 0 0 0 1 s 的死 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 区时 间 避免了在I G BT 导通 关断瞬间出现不必 要的电流叠加 超过工作电流上限 损坏I GB T 开 关 而将该脉冲宽度值设置过小 会造成在I GB T 导 通 关 断 瞬 间即 电流方 向变化 阶段 电流值 下 降 影响热输入 焊接效率 3 结论 1 本文设计 了一种控制点焊焊接 电流方向的 方法 通过 将传统点焊设 备 中的两电极变为六 电 极 并分 别加 以独立 可控 开关 实现 对焊接 电流 方向的控制 进而改善焊接质量 2 通过P s p i c e 软件对该控制方法 电路进行仿 真 结果表 明该方法控制 精度高 不影 响焊接总 热输入的大小 保证了焊接效率 3 在设置 电极开关的驱动信号脉冲宽度时应 保证必要大小的死区时间 参考文献 1 唐新新 单平 罗震 叶茂 点焊熔核尺寸及焊接电流逆过 程设计 J 焊接学报 2 0 0 7 1 1 4 5 4 8 1 1 5 2 徐士 航 DP 5 9 0 GA热镀锌双相钢电阻点焊工艺研究及数 值模 拟 D 上海 交通 大学 2 0 1 0 3 赵阳 熊庆华 马闯 电阻焊仿真S OR P AS D 在国内的应用 J 电焊机 2 0 1 3 0 2 7 2 7 8 4 张宏杰 I GB T 点焊逆变电源设计与仿真研究 D 吉林大 学 2 0 0 4 5 邓凡李 基于P S p i c e 的电力电子电路仿真研究 D 合肥工 业大学 2 0 0 6 I童 童 出 矗 矗 蠡 童 重 重 蠡 矗 重 盘 重 重 蠡 矗 矗 童 矗 蠢 矗 盘 上接第 1 7 4 页 为 1 1 9 0 8 H Z 二阶固有频率为1 2 3 1 4 HZ 瀚 I 1 4 E X OP Dn T gE tS 0 1 4 I I Eg UL Tg PI I 埘 一 C U H I I I I I U E 蠹 l I t i e 1 i l 2 1 2 3 1 4 1 2 2爨 蓦 图2 固有频率汇总 图3 是该层 甲板的一阶振型 可以看出该平台 结构的固有频率为1 1 9 1 H Z 振幅较大的地方容易 出现在边缘 图3 平 台某层 甲板的一阶振型 3 结论 海 洋平 台完整性管理是近年来 中国海洋石油 产业提 出的新理论 振动检测技术能有效地完成 这一任务 将振动检 测分析技术与有限元分析 无损检测 A C F M检测等多种手段相结合 将使得 海洋平台完整性管理的保障手段更为全面 参考文献 1 邓焱 严普强 桥梁结构损伤的振动模态检测 振动 测试与诊断 1 9 9 9 3 2 2 高赞明 孙宗光 倪一清 基于振动测试的大跨桥梁损伤检 测 J 地震工程与工程振动 2 0 0 1 4 3 徐长航 杨其俊 陈国明 潜油 电泵机组振动检测与故障诊 断系统 J 石油矿场机械 2 0 0 3 1 4 杨其俊 裴峻峰 J 波消噪及其在往复泵振动监测信号