逆变阻焊技术综述

1、电阻焊机逆变技术中频直流、变频交流成都顺泰焊接设备有限公司摘要 本文扼要介绍逆变中频、变频电阻焊机原理和实现方法，并对中、变频电阻焊与工频电阻焊机的可焊性（Weld Lobe）进行比较。解释了电阻焊“四变量”可编程的工程定义及应用实例。一、 原理及实现方法1.1中频电阻焊机的研制背景由于航空航天、汽车制造、五金加工行业对电阻焊接提出越来越多的需求，特别是新材料焊接要求日盛，如：铝合金、热成型钢、高强度钢、铜铝焊接、铜铁焊接等，对电阻焊机的要求也越来越高。欧美等发达国家自上世纪90年代后期就开始工业化使用逆变电阻焊机以满足新工艺的需求。目前，流行中频电阻焊组成及工作原理。如图1示,采用交直交，将

2、三相交流电整流成直流（顺变），再将直流经IGBT组成的桥式电路生成新的1000Hz的交流（逆变），输入到中频焊接变压器、中频阻焊变压器与工频阻焊变压器的不同之处是工作频率是1000Hz，所以其体积小且为克服感抗次级要加装整流二极管，将焊接电流转换为直流。1.2中频电阻焊系统组成及工作原理 图一图二。中频阻焊控制器（逆变器）输出电压波形 中频焊接变压器输出电流波形 图三。实际拍摄逆变器输出电压波形 焊接变压器输出电流波形 注：图三照片是RES公司（美国三大汽车厂认可的第三方测试机构，公司位于美国底特律）中频阻焊控制器测试拍摄的。中频变压器采用Roman公司TDC6179。1.3中频控制器的硬件电

3、路主电路（功率器件、电容板） 图四控制电路（编程板、主控板、驱动板） 图5主要技术指标：·逆变方式：AC/DC/MF/DC·频率：1000Hz时间精度：1ms·可编程64套焊接规范·可编程三段加热预热、焊接（可自定义递增递减段）、回火·可编程热量控制恒压/恒流/恒功率·可编程压力控制最多可定义10个压力段·自定义I/O口：与PLC、机器人适配·多种总线模式：方便实现计算机集中控制型号TypeSMF1-400SMF1-800SMF1-1200SMF1-2400输出电压（V）1000HzOutput voltage50

4、0500500500最大输出电流（A）Max. Output Current40080012002400冷却方式Cooling Mode水冷Water cooling水冷Water cooling水冷Water cooling水冷Water cooling1.4变频电阻焊机的研制背景普通工频电阻焊机因为单相取电，造成三相用电不平衡；大功率电阻焊机严重恶化电网，且设备的功率因数低。 普通工频电阻焊机中，焊接电流的调节依靠可控硅调压实现。加热电流出现断续，焊接热量不集中，尤其在焊接电流较小情况表现最明显。中频直流电阻焊机中，因整流二极管的存在，其消耗的电功率相当可观（每10KA的焊接电流至少10K

5、W），在设备冷却出现问题时极易损坏，因此造成了设备的可靠性降低、且维修成本高。中频直流电阻焊机中，因加热的电流为直流，存在焊接极性效应，对一些特殊材料不能适用。能够克服上述缺点并充分兼顾工频、中频直流电阻焊优点的便是变频交流电阻焊技术。1.5变频电阻焊系统组成及工作原理 图六图7 变频阻焊控制器输出的电压波形 焊接变压器输出的电流波形注：图7照片是RES公司2010年2月对SVF1-400变频阻焊控制器测试拍摄的 2008年5月实拍同一台交流一体化焊枪输出焊接电流有效值相同时（10KA）采用工频控制器、变频控制器的输出电流波形图8。 工频控制器 变频控制器1.6 变频控制器的硬件电路 主电路（

6、功率器件、电容板）图9控制电路（编程板、主控板、驱动板）图10 主要技术参数1.输入电压：三相380V，50HZ/60HZ，电源波动+10%，-202.最大输出峰值电流：SVF1-400SVF1-800SVF1-1200SVF1-2400400A800A1200A2400A3.变频输出电源频率： 0Hz 400.0Hz可编程；4.可编程最多64套焊接规范；5.三段加热过程：预热、焊接、回火；其中焊接段中可以自己定义递增和递减段；6.可编程压力控制，最多可定义10个压力段；7.可编程输出I/O口：可编程3段输出，更好地与PLC、机器人等适配；8.焊点计数功能。9.电流阶梯步增、电极修磨控制二、

7、可焊性（weld lobe）评估美国通用汽车电阻点焊（钢板）WS-5A引用weld lobe 二维曲线来定量评估焊机或材料的可焊性。 图11 weld lobeMinimum Botton Diametter Line:最小直径焊核曲线First Instance Of Expulsion on Second Weld:首次产生焊接飞溅实例的时刻其中B曲线是由三组形成最小直径为4mm焊核时的焊接电流和焊接时间画出。E则是形成焊核直径4mm且没有产生飞溅（expulsion）时的焊接电流和焊接时间画出。（1、2、3、4、5、6点的焊枪压力均相同，焊接电流为有效值，焊接时间为周波数。）也就是说，只

8、要焊接规范（电流、时间）选在1、2、3、4、5、6包围的曲线内就可以实现有焊核且无飞溅（焊接母材不损失）的理想焊接效果。在图11中我们设想加一压力坐标。图12在I、T二维平面中我们称之为“焊接窗口”。在I、P、T三维空间中美国通用汽车WS-5A 给出的weld lobe的含义就非常明确了。Lobe英文直译为：耳垂；（器官的）叶、脑叶、肺叶。 所以weld lobe就是评估可焊性的三维指标。只要焊接规范（压力、时间、电流）选在weld lobe之内，就可以实现有焊核且无飞溅的理想焊接效果。这个三维空间就是众所周知的电阻焊“三要素”。 通用汽车WS-5A给出了weld lobe的工程定义：宽范围的

9、weld lobe可以容忍生产过程中电极几何形状改变、电网电压波动、材料生锈、污染及焊接设备的磨损。所以我们当然希望选用焊机或材料的weld lobe越大越好。工 频 变频 中频 图13图13中的工频、变频weld lobe是美国RES公司2010年2月，在同一压力条件下使用同一把交流焊枪分别对工频控制器和变频控制器测试后画出的weld lobe曲线。注：工频控制器：美国WTC公司 C30A。变频控制器： SVF1-400。中频weld lobe曲线摘自由美国华盛顿大学、WTC公司和克莱斯勒公司共同撰写的交流和中频直流电阻焊能源消耗的比较。不难看出，中频、变频逆变电阻焊机的可焊性要明显优于工频

10、电阻焊机。为了控制焊接品质，工频和中频电阻焊控制器在设计中要求具备“三要素”可编程功能，（即压力P、时间T、电流I有效值），见图12。变频控制器则不仅“三要素”可编程，还增加频率f可编程。商科公司大量实验和应用实例证明调整焊接电流的频率可以有效的控制焊核的熔深和熔宽，在SVF1变频系列控制器引入这一变量，我们称之为“四变量”可编程。三、 应用实例3.1在RES公司5109R1报告中使用工频焊机和变频焊机熔核对比：材料：1.00mm+1.00mm 镀锌板压力：217.72kg（480磅）焊接电流有效值：7KA焊核直径：4mm80倍显微镜下焊核微观影像黑线部分长黑线部分短 图14。变频控制器 工频

11、控制器3.2使用变频SVF1-400控制器，交流54KVA一体化焊枪， 2mm+2mm热成型钢板拉力试验。图153.3 2*250KVA中频焊机，焊接电流55KA，材料8mm+8mm。汽车大梁，一汽集团青岛汽车厂。图16实际使用中电极帽寿命比三相次级整流延长10倍，每年节约人民币12万元。3.4变频控制器SVF1-2400用于长征机械厂冲击波电阻焊机焊接长征二号、三号火箭;DF-31弹道导弹铝合金箭体点焊（由于军工行业焊接现场禁止拍照，故不能提供清晰图片）3.5变频控制器SVF1-400，交流54KVA一体化焊枪，奇瑞汽车热成型刚1.6mm*3焊核微观影像。图18试验报告金属类目：高强钢单层厚

12、度：1.6mm焊接厚度：1.6 mm + 1.6 mm + 1.6 mm电极尺寸：5 mm电极压力：700KG焊接要求（规范）：弱规范焊接方式：变频控制器 50Hz焊接时间：30周波 （无预热、缓升、回火）焊接电流：12500A详细焊接方法：焊接脉冲30次；脉冲间隔：6毫秒； 20毫秒:6毫秒3.6变频控制器SVF1-800交流分体160KVA悬挂焊机，奇瑞汽车1mm低碳钢，1.6mm热成型刚，2mm高强钢，焊核微观影像。图19实验报告实验设备：SVF1-800变频控制器、160KVA变频变压器、160mm气缸检测设备：压力测试仪（美国产）、双踪示波器（美国泰克）、30T拉力机（国产）实验材料

13、：高强钢（=2.0）、热成型钢（=1.6）、普通钢（=1.0）叠放层次：2.0+1.6+1.0实验参数：焊接频率：35HZ；加压时间：600ms；维持时间：400ms；电极帽尺寸：7mm编号焊接时间（周波）焊接电流（KA）压力kg是否产 生飞溅冷却 比率第一层破坏拉力（t）第二层破坏拉力（t）熔核尺寸（mm）1119.5450是01.90.721411.5450是01.9未拉7.031211.5580否352.30.95.041511.5580是352.1未拉6.051411.5580是352.20.84.561610.8580否351.90.75无71611.2600否352.8未拉6.58

14、1611.2600否352.41.26.591611.2600否35金相未拉101611.2450否352.41.26.5111611.2450否352.75未拉7.0121611.2450否35金相未拉注：1.第一层指高强钢和热成型钢，第二层指热成型钢和普通钢.2.熔核指第一层熔核.3.实验6三层钢板放置位置颠倒，普通钢在上面. 3.8变频控制器SVF1-400交流100KVA固定点焊机凸焊螺母，熔深微观影像。 此部分经20倍显微镜放大后 图203.9变频控制器SVF1-400交流54KVA一体化焊枪华晨宝马2.5mm+2.7mm高强钢焊核微观影像。图21SVF1-400 全频智能方波电阻焊机控制器 在中国石化 钢桶缝焊车间的应用工频、变频、中频电阻焊机对比表 阻焊类别 差异性特性功能ACVFMF备注电路拓扑结构输入电源相数二相380V三相380V三相380V有滤波电容否？无有有与电网隔离否？无隔离隔离功率因数0.40.70.7AC0.4不是我们实测；VF、MF理论值应该是1，但由于