波形控制的逆变式电容储能点焊机的研制

重庆大学 硕士学位论文 波形控制的逆变式电容储能点焊机的研制 姓名：李铜 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：刘明宇 20050501 重庆大学硕士学位论文中文摘要 I 摘摘要要 本文分析了小型及微型零件特别是某航天火工品电阻点焊的工艺特点及其对 焊接设备的要求，详细讨论了某航天火工品的焊接现状；明确提出了当前某航天 火工品电阻点焊的主要焊接问题是焊接飞溅问题；讨论了采用研制的“波形控制 智能型电阻点焊机”及其研制的“电容储能点焊机”进行焊接时飞溅的产生机理。 首次提出了将高频脉冲电流用于电阻点焊，有效解决了某航天火工品的焊接飞溅 问题，试验表明效果良好。由于根本解决了某航天火工品焊点强度与飞溅之间的 矛盾，做到了无飞溅点焊，必将为进一步提高我国航天火工品焊接质量作出应有 的贡献，所作得探索工作和为解决某航天火工品点焊飞溅采取得措施具有一定的 理论意义和实用价值。 本文提出了将储能点焊和逆变技术相结合的设计思想，研制出了“波形控制 的逆变式电容储能点焊机” ，并给出了主要结构原理及其试验结果。研制了由双 RLC 回路构成的波形控制硬件给定信号控制系统和由工控机构成的波形控制软件 控制系统，即提供了软硬件两种控制模式。 当采用软件控制模式时，利用工控机和数据采集卡构成控制系统。一方面可 以对焊接电流波形进行任意预置，以实现波形控制法控制功能；另一方面，利用 数据检测功能实现对焊接电流波形的采集、显示和打印，以提高整机的信息水平。 软件系统是采用美国 NI 公司的 LABVIEW 作为开发平台开发的， 利用其强大的虚 拟仪器功能，提供出了波形预置实验平台和焊接电流波形测试功能，具有优良的 人机交换界面。同时本文着重介绍了所设计的“任意波形控制法”的波形预置原 理、设计思想和实现途径。 本文所设计的相应硬件控制功能，采用小容量 RLC 放电回路来模拟输出储能 焊过程的电流波形，由此作为电流给定信号直接控制逆变式电容储能点焊电源， 实现了完全由硬件电路构成的高频脉冲电阻点焊，能够获得焊接设备的专用化和 低成本化的结果，并且可以得到与工控机控制系统相当的焊接效果。即研制的“波 形控制的逆变式电容储能点焊机”还可以完全脱离工控机控制系统而独立运行。 关键词：高频脉冲电流点焊 逆变技术 储能 虚拟仪器 波形控制法 重庆大学硕士学位论文英文摘要 II Abstract The resistance spot welding characteristics of miniature workpiece especially spaceflight igniter and the request to welding equipment were analyzed in this paper. It puts forward definitely that the problem of the spaceflight igniter welding was splash. The mechanism that would bring splash welding by the intelligent resistance spot welding machine with waveform control and the spot welding machine with cap energy storage processing were discussed. It put forward using the high frequency pulse electric current (HFPEC) in resistance spot welding and resolving the splash problem of spaceflight igniter welding. The effect of experiment was good. It will contribute to advance the quality of spaceflight igniter welding because of the realization of welding without splash and the resolving of the conflict between welding spot intensity and welding splash. The working has some meaning in theory and some practical value. The design ideal of energy storage welding combining with inverter technology was put forward in this paper. The intelligent inverter cap energy storage spot welding machine with waveform control was developed. The structure theory and result of experiment were supplied. This paper developed hardware control system with waveform control reference signal composed with double RLC circuit and software control system with waveform control composed with industrial computer. Industrial computer and data acquisition (DAQ) card making up of the control system when wording in software control mode. On the one hand, it preset current waveform at will in order to realize the waveform control. On the other hand, it made use of the function of date measure to realize the data collection, display and print of current waveform in order to improve the information level of whole system. Software is developed with LabVIEW design flat supplied by NI corp. in USA. Software system affords experiment flat of waveform presetting and testing of welding current waveform by the powerful virtual instrument function of LabVIEW. And it has excellent interactive interface. And this paper introduced the principium, design ideal and approach of waveform presetting of waveform controlling at will The function of relevant hardware circuit controlling was design in this paper uses litter content RLC surge circuit in simulating the current signal of energy storage welding, and took it as Ug to control the inverter cap energy storage spot welding machine. It realized HFPEC resistance spot welding with hardware circuit and got the 重庆大学硕士学位论文英文摘要 III effect as good as the system controlled by industrial computer and realized the customization and the low cost of welding machine. That is the intelligent inverter cap energy storage spot welding machine with waveform control developed could run independently without any industrial computer controlling system. KEY WORDS: HFPEC spot welding，inverter technic，energy storage，Virtual Instrments(VI)，method of waveform control. 重庆大学硕士论文1 绪论 1 1绪论 1.1 问题的提出 电阻焊作为一种高效的焊接方法已广泛应用于航空航天、汽车、锅炉、机车 车辆、家用电器等行业中，尤其在大批量生产中其生产效率高的优势更加突出， 并随着新工艺新技术的应用，电阻点焊在焊接生产中的份额越来越大，其应用领 域也在不断地扩大。 电阻焊过程中会受到众多偶然因素的干扰（表面状态不良、电极磨损、装配 间隙的变化、分流等工艺因素的随机波动、电极压力的减弱等焊接规范参数的随 机波动 ）造成焊接质量不够稳定（尽管现代电阻焊技术完全可以得到高质量 的焊接接头） 。另外常规无损检测在电阻焊接头上的应用并不理想，要想杜绝生产 中个别接头质量的降低、废品的出现还是有困难的，因此采用精确的方法来检测 与控制电阻焊过程越来越受到人们的重视。尤其是自动化程度的日益提高（如： 采用点焊机器人） ，电阻焊的质量监控就显得更为重要，并且已得到长足的发展。 目前常用的质量监控方法有恒流控制法、电极间电压法、热膨胀法、能量积 分法、动态电阻法等，它们均在某种程度上提高了接头质量的稳定性，但它们主 要是应用于较大焊件的工频电阻点焊中，而对于小型及微型零件，由于其焊接时 间很短（如 0.51 周波） ，现有的质量监控技术难以使用1。而对于某航天火工品 一类的特殊焊件的点焊，现有的质量监控技术几乎无法有效解决其焊接质量问题。 1.2 航天火工品电阻焊的现状 典型航天火工品电发火元件（插塞）结构示意图如图 1.1（a）所示，它将桥 带焊接于四根导柱顶部构成的。 导柱材料为可阀合金或硅青铜， 长度为 1525mm， 焊点 桥带 桥带 绝缘 材料 导柱 （a）（b） 图 1.1 航天火工品结构图 Fig1.1 Structer of spaceflight igniter 重庆大学硕士论文1 绪论 2 直径为 1mm。4 根导柱被绝缘材料封装在一起。桥带的材料为 Ni- Cr 合金，厚度为 1565m，为光刻蚀加工成的圆片状。焊接实物如图 1.1（b） ，图面上四个凹坑 分别为四个焊点。 焊接时，圆状桥带放置于插塞顶部焊接时将会遮盖住导柱顶部，一般情况下 只能保证第一个焊点的位置精度，其他的焊点的位置则很难保证。另外，导柱间 的相对位置有一定的误差，如果只凭借工人的经验来寻找其余各点的焊接位置， 将难以确保位置精度。特别是当焊点位于导柱与绝缘材料的交界面上，由于接触 电阻过大，还会由于能量过于集中而导致“打火”现象，造成焊件报废，电极损 坏。采用重庆大学 1994 年研制的“具有记忆功能的定位工装夹具”对焊件进行定 位，采用研制的“专用精密储能点焊机”进行焊接，得到了重复精度很高的放电 电流波形及参数，不仅有效解决了焊件的定位及电极对中问题，并且焊点质量大 为提高，虚焊率由原来的 20%左右下降为 0，虚焊问题得到了根本解决，而焊接飞 溅问题未能得到根本改善2。 采用研制的“可控硅控制的专用精密储能点焊机” ，但由于储能焊机自身的局 限性（如波形难以有较大范围的改变，规范过硬） ，因此，飞溅较大；对于过厚或 过薄桥带焊接的适应性也较差。此外，硅青铜导柱的焊接质量比可伐合金导柱高， 这与可伐合金电阻率高导电导热性差，因而点焊工艺性好的实际情况不符。 为此，重庆大学于 1996 年研制了“波形控制智能型电阻点焊机” ，首次将波 形控制法用于航天火工品的焊接中。经航天系统组织的技术鉴定，一致认为所提 供的技术和工艺具有国际先进水平，并获航天工业总公司科技进步二等奖。但是， 由于此焊机是一个恒流源，并且提供了充分的焊接电流波形及其参数的预制功能， 虽然能够通过预置合理的焊接电流波形和规范参数，有效地控制飞溅率，并且获 得了比研制的专用精密储能点焊机高得多的焊接质量和对焊件材料、规格优越得 多的适应性，但是桥带焊接的飞溅问题仍未得到根本解决。 因此本文主要是针对航天火工品电发火元件一类的微型件对电阻点焊质量的 高要求，特别是要根本解决航天火工品的焊接飞溅问题，拟研制一种新型的“波 形控制的逆变式电容储能点焊机” 。 1.3 国内外电阻点焊机发展现状 352830374 50 年代开始，我国引进了电阻焊机技术，开始仿制，功率器件采用电子管、 离子管，经济技术指标比较落后。60 年代后期，我国对部分仿制品作了改进，广 泛采用晶体管取代了电子管和离子管。80 年代我国才真正自主研制各种功能的电 阻焊机，在此期间，高校、研究所和工厂先后研制过多种微机控制的智能化程度 较高的点焊机，并形成产品。而传统的电阻点焊电源的发展也经历了单相工频交 重庆大学硕士论文1 绪论 3 流点焊机、 直流脉冲点焊机、三相低频点焊机、次级整流式以及电容储能式点焊 机的过程。80 年代中期，日本、美国等国家先后推出了逆变式电阻点焊机产品， 并应用于汽车、家电、电子行业。国外逆变点焊机的研究比较成熟，商品化程度 也较高。国内的逆变技术在弧焊领域的应用比较成熟，已形成弧焊逆变电源的系 列化。但在电阻焊领域，这项技术的优点还没有得到充分发挥，仍有待于进一步 的研究和开发。 随着计算机控制技术的发展，现代电阻焊技术质量控制器几乎都采用了微机 控制，实现快速、高灵敏度、高精度、多功能的控制要求，而且随着大功率开关 器件的快速发展，逆变技术也被用于点焊领域，这样大大提高了电阻点焊的质量， 推动点焊技术的发展。 而对于功率开关器件来说，晶闸管因其开关特性的限制而现已基本不用于逆 变点焊机。晶体管的开关响应较快，但是因其驱动功率要求过大，而且存在二次 击穿问题，也限制了其广泛应用。场效应管的动态响应最快，对驱动功率的要求 远低于晶体管，而且不存在二次击穿问题。但是，现有场效应管的制造工艺很难 制造出耐压 500V 以上的场效应管，也限制了其应用的范围。IGBT 管是一种新型 的功率器件，它集成了晶体管和场效应管的优点，所以，在逆变电源中，其地位 越来越重要。 目前国内外逆变式电阻点焊的逆变频率大多数在 6001200Hz 之间，逆变周 期约 0.831.67ms ，并且对于板厚在 12mm 的汽车车体点焊来说取得了优良的 焊接效果，并且实现了无飞溅点焊3。文献4报道，日本早在 80 年代就已经研制 出无飞溅逆变式电阻点焊电源用于汽车生产线。分析其实现无飞溅点焊的原因， 除了逆变式电阻点焊电源具有优秀的控制精度和响应速度外，可能更重要的原因 是其输出的焊接电流为远高于工频的中高频电流，即采用周期远低于焊件本身的 热惯性时间常数的中高频焊接电流进行焊接，而工频电阻点焊电源则无论采取何 种措施（如各种质量的监控技术）均不能作到无飞溅点焊。 1.4 本研究的内容及意义 对于航天火工品的焊接而言，由于焊件本身属于特殊的微型零件，其热惯性 时间常数很小，并且当采用研制的精密储能点焊机及其波形控制智能型电阻点焊 机进行焊接时，其焊接时间约 20ms 左右，尽管所输出的焊接电流波形及参数均具 有很高的控制精度，但均无法有效地消除飞溅。并且采用研制的波形控制智能型 电阻点焊机进行焊接，尽管获得了比研制的专用精密储能点焊机高得多的焊接质 量和对焊件材料、规格优越得多的适应性。但由于其属于精密恒流源，当焊点焊 偏，焊点电阻偏大时，由于流过焊点的电流不变，将导致焊点加热过分剧烈而形 重庆大学硕士论文1 绪论 4 成强烈“打火”现象，同时还会烧毁焊件和电极。并且烧毁焊件，会造成较大的 经济损失。采用储能点焊焊接，当焊点焊偏时也会产生“打火”现象，但从未发 生过烧毁焊件的现象，这也是现场仍在使用研制的精密储能点焊电源进行焊接而 未使用研制的波形控制智能型电阻点焊电源的重要原因。 本文拟研制一种新型的具有波形控制功能的逆变式电容储能点焊电源，将储 能点焊与逆变技术相结合，采用高频脉冲电流来实现航天火工品的无飞溅点焊， 以储能电容为逆变电源供电来解决焊点焊偏时的强烈“打火”现象，并根本解决 某航天火工品焊点强度与飞溅之间的矛盾，为进一步提高我国航天火工品焊接质 量作出应有的贡献，具有理论意义和实用价值。 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 5 2桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 2.1 桥带与导柱点焊时接头加热分析 点焊接头温度分布是析热与散热两个过程相互作用的综合结果，由于桥带很 薄（1565m） ，属于微型件点焊，因此接头温度分布乃至接头的形成形式与普 通焊件有较大的不同。 2.1.1 桥带侧加热分析 桥带材料为 Ni-Cr 合金，电阻率很大，因而有利于产热。但由于厚度很薄， 其热源电阻并不大，因此产热量是很小的。特别是当接触电阻消失后，热源电阻 变为体电阻，而体电阻比接触电阻小的多，产热会迅速降低，另一方面，也是因 为桥带很薄，沿厚度方向通过热传导向电极的散热相对很强烈，导致焊接区温度 分布沿厚度方向的温度梯度很小，使得贴合面、电极接触面及桥带内的温度相接 近，在贴合面上难以形成集中加热的效果 1。 资料1还表明微型零件的加热受电流波形影响很大。其主要原因主要是由于 微型零件热惯性小的缘故。所谓热惯性是指温升滞后于电流波形的现象。焊件的 热惯性可用热时间常数来表征。在不考虑电阻温度系数时，有： /4 22 2 （2.1） 式中-焊件厚度；-材料热扩散率 。 由公式 2.1 可以看出厚度越小或导热性越好的材料其热时间常数越小，温升 曲线受电流波形的影响越大，与电流波形就越吻合，或者说对电流波形就越敏感。 因此微型零件点焊时，应通过选择合适的焊接电流波形及参数来得到合适的加热 温度，而不能仅按通常的概念通过调节焊接规范参数来解决。 2.1.2 导柱侧加热分析 导柱尺寸比桥带大得多，因此热容量较大，热惯性也较大，延长通电时间有 利于提高于桥带贴合面上的温度，有利于形成接头。可伐合金导柱比硅青铜导柱 电阻率大，导热性差。因此可伐合金产热比硅青铜大，有利于提高与桥带贴合面 上的温度。 2.1.3 桥带与导柱点焊接头的加热分析 该类火工品点焊工艺性能较差，分析其原因如下： 从结构上来看，导柱即是一个焊件又是下电极，难以得到普通焊件那样的 温度分布； 桥带很薄，且物理性能与导柱相差很大，属于几何尺寸相差很大的异种金 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 6 属点焊，这是造成高温区难以出现在贴合面上而偏向导柱一侧的另一个重要原因。 从前述分析可知，桥带产热少而通过上电极散热强烈，沿厚度方向温度梯 度小，也将导致贴合面温升困难。 桥带与导柱热惯性相差很大，通常的焊接电流波形（如：储能焊、工频单 脉冲点焊）难以适应桥带与导柱对电流波形的不同要求。 因此，欲提高贴合面上的加热温度，提高桥带焊接工艺性，应采用特殊波形 的焊接电流，促进接头高温区移向贴合面；应充分利用接触电阻产生的热量加热 贴合面。 图 2.1 给出了火工品焊接过程中的产热过程示意图，图 2.1（a）表示焊接定 位安装示意图，图 2.1（b）表示产热电阻示意图。焊接过程中，电源输出电压加 在上电极与夹头两端（夹头导电，导柱金属作为下电极） ，此时，焊接负载电阻包 括：上电极与桥带之间存在接触电阻 R桥带电极；桥带本身有电阻 R桥带体；桥带 与导柱之间也存在接触电阻 R桥带导柱；导柱自身电阻 R导柱；还有导柱与夹头之 间的电阻；见图 2.1 中（b）所示。这些电阻一起消耗电源输出的能量，然而，真 正对焊接有利的是 R桥带电极、R桥带体、R桥带导柱和 R导柱，即通过它们的电阻热 来实现桥带与导柱连接的。 2.2 桥带与导柱点焊接头的连接本质 微型零件点焊时，据焊接区金属所处的相态可将点焊接头分为两大类：熔化 连接与固相连接。在通常厚板零件点焊时，优质接头必须是熔化连接，即要形成 一定尺寸的熔核，但微型零件点焊接头中却可以有这两种连接方式。一般情况下， 同种金属材料的微型件点焊接头应选择熔化连接，而尺寸、熔点等物理性能差别 较大时的异种金属点焊，可考虑选择固相连接 1。 图 2.1 焊接结构示意图 Fig2.1 Sketch map of welding structure （a） 上电极 桥带 夹头 导柱 （b） R桥带电极 R桥带体 R桥带导柱 R导柱 Uo+ If 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 7 文献2曾对桥带点焊进行过熔化连接试验，结果导致飞溅严重，飞溅物甚至 贯穿桥带，并且在飞溅射流及高温作用下还会使上电极表面出现熔坑。 固相连接其机理是通过贴合面上的再结晶及原子间的相互扩散实现连接的。 再结晶有两个必要条件：一是产生大量塑性变形，使贴合面附近的晶粒被压碎； 二是贴合面上的加热温度要高于两者的再结晶温度，并在此温度下保持足够长的 时间。被压碎的晶粒将会重新形核与长大，即进行再结晶。此时，贴合面附近的 晶粒在重新形核长大的过程中会相互吞并，达到原子间的结合，从而形成接头。 因此焊接电源能使贴合面加热至再结晶温度以上，并使之保温足够长时间是 形成优质接头的关键。 2.3 焊接飞溅产生机理 2 焊接飞溅是影响航天火工品使用可靠性的另一个重要因素，需要控制飞溅的 产生，观察及化验表明，飞溅出的金属是导柱金属，其原因是接头的高温区位于 导柱一侧，在点焊过程中导柱顶部贴合面附近的局部加热速度过快，先于桥带达 到塑性变形流动状态，在焊接压力作用下从贴合面上飞出形成飞溅。由于桥带内 温度梯度很小，加之上电极对其产生的强烈散热效果，因此桥带加热温度较低， 另外桥带为 Ni-Cr 合金，熔点及塑性温度均较高，故桥带在点焊加热过程中并未 出现飞溅。 然而，用“波形控制智能型电阻点焊机”对桥带和导柱施焊时，该焊机采用 单片机系统对焊接电流波形进行预置，能够方便地预置出适应桥带与导柱焊接产 热机理的电流波形来，如图 2.2 所示。所以对于桥带焊接来说，它是一个功率无限 大的恒流源。桥带焊接过程中的不定因素非常多：导柱表面粗糙度、桥带的表面 脏污、焊点对中不良等，都会影响桥带与导柱接触的电阻值，并且均可能影响焊 接质量。上述影响因素是随机的，焊接过程中上述不稳定因素可能会表现得非常 明显，并对抑制飞溅产生不良的影响。 为了抑制上述种种随机因素的不良影响，充分利用了该焊机的电流波形及其 参数预置功能，通过大量试验摸索出了与桥带和导柱焊接过程的产热和散热机理 图 2.2 主电路原理图 Fig2.2 Schematic of main circuit 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 8 相适应的焊接电流波形，如图 2.3 所示。 该波形的 t1t2 段是为了给桥带与导柱的预热而设定的，施加预热电流，接 触电阻会减小，当预热电流增加到一定值时，接触电阻将趋于稳定，即减小了焊 接初期接触电阻的分散性。 而对于接下来的 t2t3 段， 电流波形 di/dt 值比较小， 其目的是适应导柱热惯性较大温升较慢的要求，同时又使贴合面上的接触电阻析 热不过于强烈避免产生前期飞溅，又能对接头加热作贡献。t3t4 段 di/dt 取值 很大，其目的是使已经很小的接触电阻上析出足够大的热量来促使贴合面的温升， 同时较大的 di/dt 还可以加强桥带产热，提高桥带产热速度以弥补桥带通过上电 极的强烈散热，从而提高桥带加热温度并由此进一步提高贴合面的加热温度。因 此使得贴合面有充分的时间来产生塑性变形，并使贴合面进入实质性焊接阶段。 由于此时贴合面的温度已经高于接头的再结晶温度，并且在接下来的 t4t5 段进 入平顶区，从而进入对贴合面的加热及保温阶段。在此阶段，结合面的原子通过 相互扩散及被压碎的晶粒的再结晶达到原子间的结合。此阶段的时间愈长，再结 晶就会越充分，焊接质量越好，但是时间过长，会造成过深的压坑，从而导致对 桥带产生较大的切割作用，破坏了桥带自身的强度。 资料2还表明，飞溅的产生，受 t2t3 段和 t3t4 段 di/dt 的取值的影响 比导柱表面粗糙度、桥带表面脏污等随机因素的影响要大得多。并且在提供了预 热电流后，飞溅的产生几乎不会受导柱表面粗糙度、桥带表面脏污等随机因素的 影响，而主要取决于 t2t3 段和 t3t4 段 di/dt 的取值和 t2t3 段和 t3t4 段交界处的电流值。当 t2t3 段 di/dt 的取值过大，并且 t2t3 段和 t3t4 段 交界处的电流值也过大时必然会导致过强的飞溅，主要是贴合面上的接触电阻析 热过于强烈造成的。而焊点的强度则主要取决于 t2t3 段和 t3t4 段 di/dt 的 取值、t2t3 段和 t3t4 段交界处的电流值和峰值电流值，并且提高 t2t3 段 和 t3t4 段 di/dt 的取值、t2t3 段和 t3t4 段交界处的电流值和峰值电流值 有利于提高焊点的强度。但提高焊点强度的因素会使飞溅加大，反之减弱或消除 飞溅时，焊点强度会减小到难以接受的程度。即在使用该波形控制法进行焊接时， 图 2.3 预置电流波形示意图 Fig2.3 Sketch map of presetting current waveform Ug tt1t2t3 t4t5t6 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 9 难以兼顾焊点强度和飞溅这一矛盾，只能作到在确保焊点强度的前提下尽量控制 飞溅。 另外该波形控制法的预制波形与电容储能焊的焊接电流波形相似，只是该波 形控制法能够对焊点强度和飞溅的主要控制因素电流波形上升段的拐点位置 能够有效调节，即将电流波形的上升段分为 t2t3 和 t3t4 两段，并分别调节 该两段的 di/dt 的取值，因此可以获得比电容储能焊优越的多工艺适应性，因此 能够有效解决电容储能焊难于有效适应某些焊件的问题。 因此，要根本解决当前航天火工品焊接的焊接问题，必须另辟蹊径。 2.4 高频脉冲电流焊的理论基础 55 电阻焊的热源是电流通过焊接区产生的电阻热。根据焦耳定律，热量 W 为： t 0 2 dt) t (R) t (iW（2.2） 式中i(t)-通过焊接去的瞬时电流（A） ； R（t）-焊接区的电阻（） ； t-焊接时间（s） 。 在点焊过程中，电流和电阻都是时间的函数，因此有： Rt IW 2 （2.3） 式中I-焊接电流均方根值的平均值（A） ； R-焊接区的平均电阻（） 。 点焊时，单位时间内产生的热量称为热源强度，可用 2.4 表示 2 2 0 UIRI （2.4） 式中 U2-电极间电压的均方根值（V） 。 由式 2.4 可知，热源强度等于焊接区所消耗的电功率。 单位时间在单位体积内产生的热量叫作体积热源强度v， v可由式2.5表示： t 2 v j（2.5） 式中j-点焊时的电流密度（A/mm 2） ； 图 2.4 高频脉冲电流示意图 Fig2.4 Sketch map of HF pulse current I tontOFFt 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 10 t焊接区的电阻率（.mm） 。 体积热源强度影响加热速度，强度越大，加热速度越大，由式 2.4 和 2.5 可 知，标志热源特性的参数是焊接区的电阻、电阻率、电流和电流密度，而电阻又 跟电阻率相关，电流也与电流密度相关，电阻率和材料相关，要改善焊接过程的 产热情况就只有根据材料来制定不同的焊接电流密度参数。 如果相同时间内电流密度越大，电流值也就越大，那么所产生的热源就越集 中，这对于桥带和导柱的点焊就越有利。采用高频脉冲方波电流与类似电容储能 焊或波形控制法的平稳电流相比，在平均电流相同的情况下，由于高频脉冲方波 电流的峰值可以很大，将产生两方面的结果：其一，由于电流的峰值很大，会使 电流线的相互吸引力较平稳电流要大得多，因此在桥带内的电流密度就要比平稳 电流焊接时大，由于桥带内的电流密度的提高，可以有效地提高桥带体电阻的析 热；其二，由于电流的热效应与电流的平方成正比，因此当采用高频脉冲方波电 流焊接时，在峰值电流期间，桥带体电阻的析热必然远高于采用平稳电流的情况。 因而高频脉冲方波电流进行焊接对于提高桥带与导柱贴合面的温度、提高焊点强 度必然会产生积极的贡献。另外，采用高频脉冲方波电流进行焊接，由于其频率 很高，每个方波周期内的加热时间远小于焊件的热惯性时间常数，并且在基值时 间内会产生一个冷却作用，因此不会导致剧烈的加热效果。高频脉冲电流波形示 意图如图 2.4 所示。 由于桥带与导柱的焊接，属于几何机构、材料等及其不对称的情况，并且导 柱既为下电极又为一个焊件。由于导柱是细长结构，通过导柱夹头对导柱与桥带 贴合面附近的散热强度远低于上电极对桥带的散热，当采用平稳电流焊接时，必 然导致高温区偏离贴合面而出现在贴合面附近偏向导柱的一侧。要保证贴合面上 有足够的加热温度确保焊点强度，就必须采用较大的规范参数，并且还必须配合 合适的焊接电流上升沿的波形形状在充分利用贴合面接触电阻的条件下才能确保 获得合格的焊点强度。在此情况下，由于高温区将偏离贴合面并出现在贴合面附 近偏向导柱的一侧，在上电极的压力和高温金属膨胀力的共同作用下，贴合面附 近导柱一侧先期软化并处于塑性流变状态的导柱金属必然在上电极加压点周围沿 贴合面被迅速挤出，丛而形成飞溅。 而采用高频脉冲方波电流进行焊接时，在很大的峰值电流作用下，仅需几个 电流脉冲即可消除上电极与桥带之间以及桥带与导柱之间的接触电阻，因而其焊 接本质主要是通过提高桥带与导柱的体电阻的电阻热来确保焊点质量的。因此采 用高频脉冲方波电流进行焊接时可以不必要像平稳电流焊接那样必须有效利用导 柱与桥带之间接触电阻的电阻热才能保证焊点强度作法，从而可以避免接触电阻 的强烈析热现象，并消除由此所造成的飞溅。 重庆大学硕士论文2 桥带点焊连接本质及其对焊接设备的要求 11 因此采用高频脉冲方波电流进行焊接，理论上讲可以不必使用波形控制法即 可获得优质焊点，即：可以有效解决焊点强度和飞溅之间的矛盾，可以满足既能 保证有足够的焊点强度又能有效避免飞溅的高要求。 2.5 航天火工品点焊对焊接设备的要求 试验及上述分析表明，储能点焊机、P103 工频半波脉冲点焊焊机，用于桥带 点焊时由于所输出的波形形状基本上不可调，难以获得无飞溅的焊接，并且存在 着对于某种规格焊件的适应性偏低，焊点强度偏弱的问题。研制的波形控制智能 型电阻点焊机，在采用了波形控制法后不仅能够有效适应当前各种品种规格航天 火工品的焊接，而且可以获得比储能点焊机小的多的焊接飞溅，因此波形控制智 能型电阻点焊机无论在控制思想上还是在硬件结构上均具有先进性，代表了当前 国内航天火工品桥带焊接的设备及工艺水平，并于 99 年获得了航天工业总公司科 技进步奖二等奖。但波形控制法也仅仅做到了控制焊接飞溅，而无法达到真正的 无飞溅焊接。 进一步提高航天火工品焊接的高质量，并实现真正的无飞溅焊接，因此本文 拟采用逆变技术，将平稳焊接电流焊接变为高频脉冲电流焊接，以根本解决焊接 飞溅问题。 为了有效解决波形控制智能型电阻点焊机当焊点焊偏所导致的强烈 “打 火”而烧毁焊件的问题，本文拟将电容储能焊与逆变技术相结合，即利用逆变技 术将储能电容存储的有限电能为焊点提供焊接电流，从而避免波形控制智能型电 阻点焊机以无限大功率电网为焊点供电所存在的问题，即研制“波形控制的逆变 式电容储能点焊机” 。 重庆大学硕士论文3 焊接电源的组成、 工作原理及主电路设计 12 3焊接电源的组成、工作原理及主电路设计 3.1 逆变技术及其发展 3.1.1 功率电子器件发展概况 从 20 世纪 30 年代末晶闸管问世以来，电力电子器件便在现代科技舞台上发 挥出它的威力，它的发展推动了焊接电源设备的技术进步。到 60 年代初开始出现 了晶闸管式直流弧焊机。70 年代末快速晶闸管式逆变式直流弧焊机已经面世。同 时，大功率电子器件如：器件功率晶体管（GTR） 、门极可关断晶闸管（GTO） 、功 率场效应管 （Power MOSFET） 、 绝缘栅双极性晶体管 （IGBT） 、 静电感应晶体管 （SIT） 、 静电感应晶闸管（SITH）和栅极控制晶闸管（MCT）等等被发明，它们被称为第二 代电力电子器件，它们的出现使得焊接电源设备开发和制造技术达到了质的飞跃。 80 年代中期，又出现了第三代电力电子器件功率集成电路（Power IC） ，它是 将不同功率等级的驱动、保护、检测和功率输出单元集成于一体。使用更方便、 可靠，被誉为第二次电子革命的前沿 6。 在目前的焊接设备市场中，因为第三代电力电子器件 PIC 的成本非常高，还 没有达到真正的实用阶段，所以晶闸管（SCR） 、晶体管（GTR） 、场效应管（MOSFET） 和绝缘栅极双极性晶体管（IGBT）仍然占据着统治地位。当然，这些半导体功率 器件各自具有自身的特点，在不同的焊接设备要求场合下发挥着各自的作用，然 而，现代逆变焊接电源不断走向轻便化和低成本化，由于晶闸管（SCR）缺乏自关 断能力，而且不能响应高开关速度逆变电源的要求，已经逐渐退出逆变焊机领域。 而 GTR、MOSFET 和 IGBT 各具特点，下面做一个简单的比较： 显然，GTR 因为是电流驱动型，所需驱动功率大，造成大量的能量消耗，而且 其开关速度比较低；而 MOSFET 虽然具有高响应速度和驱动功率小等优点，但是难 做到大容量化， 一直都是限制其广泛应用的一个关键因素； IGBT 兼具 GTR 和 MOSFET 表 3.1 IGBT、MOSFET、GTR 特征参数比较 Table3.1 Performance compare between IGBT,MOSFET,GTR 晶体管类型GTRMOSFETIGBT 驱动类型电流电压电压 高压化容易难容易 大电流化容易难容易 高速化难极容易容易 其它因二次击穿限制 安全工作区 无二次击穿现象因擎柱效应限制 安全工作区 重庆大学硕士论文3 焊接电源的组成、 工作原理及主电路设计 13 之长，现在已经逐渐占据着逆变电源的绝对位置。 然而，对于本文而言，因为逆变频率高（50KHz） ，而且焊接过程非常短（20ms 左右） ，所以要求电源设备系统响应速度尽可能地快，综合表 3.1，所以决定以 MOSFET 作为开关器件。 MOSFET 管的优点还表现在以下几个方面： a、因为是电压控制型，所以开通过程基本不取电流。驱动简单，能耗低。 b、场效应管只有多子参与导电，因此抗干扰能力强，稳定性好。 c、噪声系数小。 d、种类多。 3.1.2 逆变焊接电源基本形式 78912 逆变技术的成功应用，使得逆变焊机得到了“明天的电源”的美誉。经过对 逆变技术的不断研究，现在的逆变主回路已经演变成了几种拓扑结构，其常用的 结构形式主要有双端式逆变结构和单端式逆变结构。下面将这几种常用的逆变拓 扑结构进行简单的分析。由于功率器件 IGBT 的普及是逆变焊接电源的发展趋势， 因此以下的逆变主拓扑结构均采用 IGBT 作为开关器件。 双端逆变结构形式 1）推挽式逆变电路 推挽式逆变电路如图 3.1（a）所示。功率开关管 Q1、Q2 由驱动电路以脉冲方 式激励而交替导通，输入直流电压被变换成中频脉冲方波交流电压。Q1 导通时， 输入电源电压 E 通过 Q1 施加到中频变压器 T 的一次绕组 N1 上，由于变压器的作 用，截止开关管 Q2 上施加两倍电源电压（即 2E） 。当控制脉冲都消失时，一对高 压开关管均截止，它们的集电极施加电压均为 E；下半个周期，Q2 被激励导通， 截止开关管 Q1 上施加 2E 的电压，接着又是两个开关管都截止的时期，VCE1和 VCE2 均为 E。下一个周期重复上述过程。图 3.1（b）给出了开关管 C、E 极电压波形示 意图和集电极电流波形示意图，电压图中箭头处表示变压器漏感储能引起的电压 VCE EtONtOFF T IC 0 2E 图 3.1 推挽逆变电路及其波形 Fig3.1 Circuit and waveform of pull- push inverter (a)(b) 重庆大学硕士论文3 焊接电源的组成、 工作原理及主电路设计 14 尖峰；电流图中箭头处表示整流二极管的恢复特性和开关管集电极电容引起的电 流尖峰。 2）全桥式逆变电路 全桥式逆变电路如图 3.2（a）所示，功率开关管 Q1、Q2、Q3 和 Q4 组成桥的 四臂，中频变压器 T 连接在它们中间，相对桥臂上的一对开关管 Q1、Q4 和 Q2、Q3 由驱动电路以脉冲方式激励而交替通断，将直流输入电压变换成中频方波交流电 压，其工作过程和推挽式逆变电路一样。 显而易见，当一组功率开关管（例如 Q1、Q4）导通时，截止开关管（Q2、Q3） 上施加的电压即为输入电压 E，当所有的开关管都截止时，同一组中两个开关管将 共同承受输入电压（即每管电压为 E/2） 。由中频变压器漏感引起的电压尖峰，当 其超过输入电压时，反向并接在高压开关管集射极之间的高速箝位二极管（D1 D4）便导通，集电极电压被箝位在输入电压上。集电极电流同样也有尖峰。开关 管工作电压电流波形图如图 3.2（b）所示，其中箭头标志处表示电压、电流尖峰 值。 3）半桥式逆变电路 VCE E/2tONtOFF T IC 0 E 图 3.2 全桥式逆变电路及波形 Fig3.2 Circuit and waveform of full- bridge inverter (a)(b) VCE E/2tONtOFF T IC 0 E (a)(b) 图 3.3 半桥式逆变电路及波形 Fig3.3 Circuit and waveform of semi- bridge inverter 重庆大学硕士论文3 焊接电源的组成、 工作原理及主电路设计 15 半桥式逆变电路如图 3.3（a）所示。它和全桥式电路相似，只是其中功率开 关管只有两只，另外两个由电容器 C1、C2 取代，C1、C2 采用耐压值高无感高频电 容器。其工作原理如下： 当一对功率开关管均截止时，若电容器 C1 和 C2 的容量相等而且电路对称， 则电容中点 A 的电压为输入电压的一半，即 VC1=VC2=E/2。当 Q1 导通时，电容 C1 通 过 Q1 和中频变压器 T 的原边 N1 放电，同时，电容 C2 则通过输入电源、Q1 和 T 的 原边 N1 充电，中点 A 的电位在充电放电过程中将按指数规律下降，在 Q1 导通终 了时， VA将下降至 E/2-E； 接着是一对开关管都截止的时期， 此时， VCE1=VC1， VCE2=VC2， 它们都接近输入电源电压的一半，当 Q2 被激励导通时电容 C1 将被充电，电容 C2 将放电，中点 A 点电位在 Q1 导通终了时将增至 E/2+E，即是说，中点 A 点的电 位将在 E/2 的电位上以E 的幅度作指数规律变化。 显然，和全桥逆变一样，一个开关管导通时，截止的开关管上施加的电压大 致和输入电源电压相等。开关管由导通变为截止的关断过程中，漏感引起的尖峰 电压也将被快速二极管（D1、D2）箝位，因此，功率开关管上承受的最高电压也 不超过电源电压。开关管工作电压电流图如图 3.3（b）所示，图中箭头所表示的 分别是电压电流尖峰值。 单端式逆变电路 单端式逆变电路，与双端式逆变电路的根本区别在于中频变压器磁芯仅仅工 作在磁滞回线的一侧（即第一象限） 。 1）单端反激逆变电路 单端反激逆变电路原理图如图 3.4 所示，当功率开关管 Q1 被控制脉冲触发导 通时，输入电压 E 便施加到中频变压器 T 的原边 N1 上，由于图中 T 的次级侧整流 二极管 D1 反接，次级绕组 N2 没有电流流过；当 Q1 关断时，绕组 N2 上电压极性 颠倒，D1 被正偏，Q1 导通期间储存在 T 中的能量便通过 D1 向负载释放。由于此 种变换器在功率开关管导通期间只存储能量，而在其截止期间才向负载传递能量， VCE IC E tOFFtON E+nVo 图 3.4 单端反激式逆变电路及波形 Fig3.4 Circuit and waveform of single- ended inverse inspirit inverter (a)(b) 重庆大学硕士论文3 焊接电源的组成、 工作原理及主电路设计 16 中频变压器在工作过程中起到了储能电感的作用，因此，人们称它为“电感储能 式变换器”或“电感变换器” 。由于其工作的局限性，所以现在很少采用此种逆变 结构。 2）单端正激逆变电路 单端正激逆变电路的形式可以分为两种：单管式和双管式。单管式逆变器根 据变压器磁芯磁恢复的工作原理不同可以分为带去磁绕组式和带 RCD 式单端正激 逆变电路。由于单端正激逆变电路中的磁芯工作在磁滞回线的一侧，所以变压器 工作效率低，然而，在变压器被磁化的阶段是开关管导通的时间段，当开关管截 止时，变压器因为自感会使变压器的原边电压极性颠倒，为了泄放掉变压器的自 感电动势，为下一次开关管导通做好准备，那么必须让变压器的磁芯恢复到初始 状态（即磁恢复） 。所以在变压器上设置去磁绕组和采用 RCD 缓冲网络分别可以实 现磁恢复，故此产生两种单端正激式逆变电路。那么双管式单端正激逆变电路如 图 3.5（a）所示。此电路拓扑结构采用 2 个功率开关管 Q1、Q2；其中 2 个快速 二极管组成箝位电路，Q1、Q2 可用较低的耐压值，对于 3 相 380 交流供电来说， 它们的耐压值 1000V 便足够，然而若采用单相 220V 交流供电而言，它们的耐压