查慧華
(上海賽科利汽車模具技術應用有限公司,上海 201209)
電阻焊設備升級與焊接材料應用的延伸
查慧華
(上海賽科利汽車模具技術應用有限公司,上海 201209)
在工業(yè)生產中電阻焊具有很大的經濟價值,因為電阻焊的勞動生產率高,不用附加填充材料和使用焊劑,焊接過程比較容易機械化,很少產生毒性氣體,沒有紫外線的傷害,可將電阻焊設備安排在生產線上進行作業(yè),所以在航空、航天、電子、汽車、鐵道車輛、建筑、電器元件、家用電器以及日用品等各種制造業(yè)廣泛應用。隨著現(xiàn)代科學和電子技術的創(chuàng)新及突破,電阻焊的設備不斷升級,應用領域及焊接材料的應用范圍也隨之不斷擴大和成熟。同時由于科學發(fā)展的要求,新興產業(yè)的壯大,節(jié)能減排的需求及新材料的不斷涌現(xiàn)也促進了電阻焊設備的更新及升級。
焊接電源;程序控制;加壓系統(tǒng);焊接材料
電阻焊自19世紀70年代發(fā)明至今,其應用逐漸成熟,范圍不斷擴大。特別是現(xiàn)代制造業(yè)的需求,以及新能源、新材料、電子技術的涌現(xiàn),電阻焊從焊接設備到焊接材料都有了飛躍發(fā)展。
1.1 電阻焊電源
按不同焊接電流種類,電阻焊電源可分為單相交流焊機、二次整流焊機、三相低頻焊機、三相二次整流焊機、電容儲能焊機、中頻焊機。
1.1.1 單相交流焊機
將380 V/220 V網路電壓通過斷續(xù)器和級數(shù)調級器輸入到阻焊變壓器的一次側。根據(jù)控制設備決定斷續(xù)器導通的時刻不同,在阻焊變壓器的二次回路中獲得一個正弦波的焊接電流。單相交流焊機電源原理如圖1所示。
電阻焊是一種加壓焊接法,它是在電極壓緊材料時直接在材料上通電,利用材料本身的電阻和接觸面的集中電阻所產生的熱量使材料熔化而進行焊接的一種方法。其中一個顯著特點是焊接在短時間內完成,需要用大電流、高電極壓力,因此焊機的容量大。對于單相交流(50 Hz)焊機來說,它的局限是:由于焊機功率大,造成供電網路三相嚴重不平衡的現(xiàn)象;交流感抗的損耗,功率因數(shù)低,耗能大;采用大電流焊接,一次電流大而造成一次電壓不穩(wěn)定引起焊接質量不穩(wěn)定;由于交流焊接電流的過零點,影響了焊接質量。
圖1 單相交流焊機電源原理
1.1.2 二次整流焊機
(1)原理。二次整流焊機是在阻焊變壓器的二次輸出端接入大功率硅整流器,使得二次回路產生直流電流。
(2)特點。二次整流焊機的焊接電流不經過零點,焊接有色金屬、耐熱鋼板等材料時不易產生裂紋,能夠保證獲得穩(wěn)定的焊接質量。這種單方向的脈動電流在通過工件時產生的電磁力使電流集中,使焊點成形好,對薄板焊接更有效??p焊時便于提高焊接速度;閃光焊時閃光穩(wěn)定,可減少閃光所需電壓,從而減小焊機功率。
由于二次回路是直流,焊接回路的尺寸對感抗影響很小,在多點焊時焊點間距可適當加大以減小分流對焊接質量的影響。
直流電流受二次回路內磁性材料影響極小,焊接時在電極臂之間不會產生交流時的電磁交變力,故電極壓力穩(wěn)定,提高了焊接質量的穩(wěn)定性;在焊鉗與阻焊變壓器分開的懸掛式點焊機上不必采用粗大的低感抗電纜,因為電纜間沒有交流電所產生的沖擊力,故可提高電纜的使用壽命。
(3)單相整流焊機。二次回路感抗影響小,電流損耗相應減小,提高了焊機的功率因數(shù),焊接同樣的材料與交流焊機相比,耗能降低;一次電流小于交流焊機的一次電流,減少了一次回路電壓的變化而引起的焊接質量不穩(wěn)定。
(4)三相二次整流焊機。三相二次整流焊機焊接電流不過零,電流穩(wěn)定,提高了焊接質量;避免了供電網路三相不平衡的缺陷。電路原理如圖2所示。
圖2 三相次級整流焊機電路原理
1.1.3 三相低頻焊機
三相低頻焊機是一種由特殊的、具有三相一次線圈和單相二次線圈的阻焊變壓器構成的焊機。
由于是低頻脈動焊接電流,二次回路感抗很小,可降低焊接時所需功率。功率因數(shù)可達0.95;三相負荷克服了電網負荷不平衡現(xiàn)象;控制線路設計精確,抗干擾能力強,焊接質量穩(wěn)定可靠。因此,三相低頻焊機大多用于精度要求高、工藝性要求穩(wěn)定的航空和航天結構件的焊接。三相低頻焊機電路原理如圖3所示,電流波形如圖4所示。
圖3 三相低頻焊機電路原理
1.1.4 儲能焊機
儲能焊機是一組電容器,由一個將這些電容器充電到預定電壓的電路和一個阻焊變壓器組成,電路原理如圖5所示。焊機可由單相或三相供電。
圖4 三相低頻電流波形
儲能焊機能在瞬時獲得大電流,同時電網電壓的波動不產生直接影響,因此儲能焊可用于對焊接熱能要求嚴格的場合,例如精密儀器儀表零件、電真空器件、金屬細絲和一種金屬的焊接。
1.1.5 逆變(中頻)焊機
逆變焊機是利用調制脈沖寬度的方法來調節(jié)焊接電流,焊接電流接近完全直流。電路原理如圖6所示,焊接電流波形如圖7所示。
圖5 儲能焊機電路原理
圖6 逆變焊機電路原理
圖7 逆變電源焊接電流示意
中頻直流省去了交流電阻焊過程的電流過零時間,因此焊接速度更快,熱效率高,焊接同樣工件焊接電流可降低40%,從而減少了能耗;中頻逆變器使所有相位平均分配負荷,避免了地線偏移問題;三相供電平衡,減小了對網路的沖擊;中頻直流負載能持續(xù)保持近100%的功率因數(shù);由于二次回路上的二極管提供直流電流,排除了電感抗;沒有交流工頻焊接的相位問題,峰值電流較低;逆變器中的電容器能夠降低供電系統(tǒng)諧波問題。
中頻直流焊機用IGBT做開關,開關頻率400~2 000 Hz。大部分的控制器為固定頻率控制,通過控制IGBT的開斷,中頻直流可精確地控制焊接電流,并更快達到目標電流;阻焊變壓器總質量和體積與交流阻焊機相比減少到1/5~1/3,在機器人焊接操作的汽車工業(yè)中使用優(yōu)點尤為顯著,可減輕機器人負荷,操作靈活;當用于專用焊機時,能使焊機結構更為緊湊。
對于多層板焊接或不同厚度板材的焊接,中頻焊機有一定的優(yōu)勢。因為交流電通過零點,每個周波過零點就是一個散熱點,對焊接過程產生負面影響:由于有散熱過程,所以焊接時間增加,多層板的焊接核心不穩(wěn)定,特別是不同厚度的板層焊接,厚板由于散熱快而核心變小,為了保證薄板的焊接質量,電流不能太大,為了保證厚板焊接質量,薄板有可能被焊穿。而中頻焊機焊接電流的波形幾乎成直線,沒有交流電流過零問題,焊接過程中熱量積聚的速度很快,所以厚板之間的焊核大小差異很小,保證了焊接質量。
1.2 電阻焊控制裝置
(1)功能:提供信號控制焊接動作;接通和切斷焊接電流;控制焊接電流值。
(2)發(fā)展:電阻焊機的控制裝置從最簡單的由行程開關和電磁接觸器組成,發(fā)展到集成元件組成的控制器,再到微處理器的控制裝置。
(3)微處理器控制器的特點:能儲存七個或多個焊接程序,能任意編排焊接程序的順序,有預熱、緩升、多次脈沖、緩冷、后熱等加熱過程,為工藝復雜的高溫耐熱鋼、有色金屬、含碳量高的材料、厚板焊接、鍍層材料的焊接提供了工藝保證。
能根據(jù)焊接環(huán)境的變化設置焊接變壓器為卷繞鐵心或疊片鐵心以決定第一個半周是否要延時觸發(fā);焊接電流是工頻交流還是直流以取得最佳控制和補償效果;可設置電流上下限、功率因數(shù)上下限;能隨焊點數(shù)逐步遞增焊接電流;能監(jiān)視焊接參數(shù)的范圍,當超出設定的極限時,發(fā)出報警或故障信息;能自診斷控制器發(fā)生的各種故障等。提高了焊接質量的可靠性。
可將電阻焊控制器裝置與可編邏輯程序控制器進行集合,適用于機器人、專用焊機在焊接生產線上與其他自動裝置協(xié)調工作。目前在汽車車身制造的自動化焊接中普遍應用。
1.3 電阻焊機械結構1.3.1 焊機的加壓系統(tǒng)
(1)氣動加壓。一般的電阻焊機的加壓為氣動系統(tǒng)。當工藝要求電極壓力較大時,需用的氣缸尺寸就很大,動作會減慢,壓縮空氣的消耗量也增大,這時可采用液壓系統(tǒng)。但是由于空氣的可壓縮型,氣動焊機的隨動性比液壓焊機好。氣動焊機多采用活塞式氣缸。為了提高加壓系統(tǒng)的隨動性,在焊接質量要求嚴格時可采用薄膜式氣缸。這是由兩塊連接在同一活塞桿上的薄膜將氣缸隔成四個氣室,在不同時間對各個氣室提供不同壓強的壓縮空氣,便可得到變化的電極壓力。
(2)伺服驅動加壓。最新的伺服加壓系統(tǒng)是電動機伺服驅動的機械裝置。與氣動加壓相比,能夠實現(xiàn)沖擊力很小的高速加壓,減少焊點表面變形,并且能提高電極壽命;加壓和放開時的沖擊很小,改善了工作環(huán)境的噪聲;可以隨意設定電極壓力且快速精確地達到設定壓力,對于有色金屬特別是鋁合金的焊接提供了工藝保證;在管板焊接過程中,氣動加壓的瞬時沖擊力使管子容易產生裂紋,如果采用伺服加壓可以先施加小壓力,減少沖擊,焊點凝固時減小壓力形成完好的焊核;隨意設定焊槍行程,提高了焊接效率;焊接壓力可調范圍大,增加了焊接設備的適用范圍。
1.4 人機工程
隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展,機器人點焊在汽車車身焊接中占主導地位。焊接機器人的應用加快了車身制造柔性化、產量化和自動化的進程。汽車工業(yè)引入機器人效益明顯,既改善了多品種混流生產的柔性,提高了焊接質量和生產率,又將工人從惡劣的作業(yè)環(huán)境中解放出來。
碳鋼、合金鋼、不銹鋼、有色金屬、鍍鋅鋼板等是常見的焊接材料。
2.1 碳鋼的焊接
低碳鋼是焊接性能良好的材料。在低碳鋼的電阻焊中,板厚越大,焊接電流和焊接壓力也相應增大,焊機的容量隨之增大。對于最普通的單相交流焊機而言,一次電流增大,一次回路電壓降增大,從而造成焊接質量不穩(wěn)定,同時引起供電網路的三相嚴重不平衡。三相整流焊機就可以避免以上缺陷。新的微機控制器具有自動電網電壓補償功能,能在通電的每個周波里對電網電壓和功率因數(shù)采樣,并與設定值對比得出下一個周波晶閘管的觸發(fā)角,電網電壓補償一般可達到±15%,還能設定電網電壓額定值以達到更合理的補償范圍,以避免由供電電壓波動而造成的焊接質量不穩(wěn)定。同時多次脈沖焊接也是提高厚板碳鋼焊接質量的有效方法,微處理控制器的多脈沖加熱就能滿足這一條件。
2.2 不銹鋼的焊接
不銹鋼的電阻率高,與軟鋼相比,采用較低的電流或較短的通電時間即可以焊接。另一方面,不銹鋼高溫抗拉強度高,因此必須采用高電極壓力。
2.3 合金鋼的焊接
(1)淬硬合金鋼。低碳調質鋼、中碳調質鋼等點焊時,由于高溫停留時間短,冷卻速度快,易產生硬化。若焊接接頭硬化,即使焊核拉剪強度不下降,在拉開試驗中,由于焊核周圍硬化的熱影響區(qū)受到彎曲應力而降低了拉伸強度。通過緩冷處理或回火熱處理可以改善熱影響區(qū)的脆性。微處理焊接控制器能夠滿足這些焊接工藝要求復雜的材料的焊接質量。
(2)耐熱合金鋼。耐熱合金鋼的主要合金元素都顯著地提高了鋼的淬硬性,鉻在較高冷卻速度下熱影響區(qū)的淬硬性更強。焊前預熱是防止裂紋的有效措施;焊后熱處理不僅能消除焊接殘余應力,還能提高接頭的綜合力學性能。微處理焊接控制器可以滿足預熱、緩升、多次脈沖、緩冷、后熱等加熱過程。由于耐熱合金鋼的高溫抗拉強度高,必須采用高電極壓力焊接,伺服加壓系統(tǒng)的高壓力特別適合雙相鋼等高溫耐熱鋼的焊接。
2.4 鍍鋅鋼板的焊接
鍍鋅鋼板一般分為電鍍鋅鋼板和熱浸鍍鋅鋼板。鍍鋅鋼板與低碳鋼板相比,合適焊接規(guī)范的范圍較窄,要得到同樣的強度則需要較大的電流。低碳鋼焊接時,連續(xù)焊接會引起電極頭變形,只要變形不嚴重,焊接強度不會降低。相反,鍍鋅鋼板可以連續(xù)焊接的點數(shù)非常少,連續(xù)焊到一定點數(shù)后電極就變形,立即不能形成焊核,需要修磨電極后才能繼續(xù)焊接。微處理器焊接控制器有電流遞增器,在大批量生產線上,焊接到一定點數(shù)后,分級按不同斜率增加熱量,保持電流密度恒定以保證焊點強度。
2.5 有色金屬及其合金的焊接
鋁及其合金是較軟的材料,可采用較低的電極壓力。但是由于電阻系數(shù)低、導熱性好,通電時間較短,要采用大電流、短時間的焊接規(guī)范。與普通低碳鋼焊接相比,要求通電時間準確,同時焊機加壓系統(tǒng)的隨動性好。鋁合金焊接時要采用大電流,故焊機容量大。三相整流焊機、三相低頻焊機、儲能焊機應用而生。在焊接硬鋁時,焊核內容易產生氣孔和裂紋,如果采用電流緩降和頂鍛壓力則可防止這些缺陷。三相低頻焊機通電時會形成電流波形陡度,微處理控制器和伺服焊槍能夠滿足這些條件。次級整流焊機與交流焊機相比阻抗可以忽略不計,二次電壓可降低,焊機容量可減小。
目前電阻焊在我國的汽車、機車、飛機、工具、鍋爐、電器、電機、電子制造等許多工業(yè)及建筑行業(yè)廣泛應用。
3.1 三相次級整流縫焊機焊接高溫合金
3.1.1 焊接材料及規(guī)格
高溫合金GH3030,GH3128,GH1140,GH188;規(guī)格δ2+δ2,δ1+δ1,δ0.5+δ0.5。
不銹鋼1Cr18Ni9Ti,1Cr11Ni2W2MoV;規(guī)格δ2+ δ2,δ1+δ1,δ1+δ0.5,δ1+δ0.5。
3.1.2 電源
三相次級整流供電380V/50Hz;額定功率160kVA (負載持續(xù)率50%);多級調壓;最大二次電流50000A;焊機具有恒電流、恒電壓控制。
3.1.3 加壓機構
(1)氣動加壓系統(tǒng)(采用雙作用薄膜式氣缸);六種壓力選擇。
(2)加壓0.55 MPa時,鍛壓壓力20 000 N。
(3)焊機加壓系統(tǒng)隨動性好(低慣性設計),導向機構質量輕,摩擦力小。
(4)加壓機構靈活、平穩(wěn)、實現(xiàn)PC控制;在焊接過程中壓力保持穩(wěn)定。焊機在規(guī)定氣壓范圍內和額定焊接速度下工作時電極壓力的波動不超過±8%,上電極下降時應平穩(wěn)無沖擊現(xiàn)象。
(5)焊機的電極臂有足夠的剛性,當施加最大額定壓力時,臂長1 000 mm,撓度不超過1.0 mm。
(6)焊接速度5 m/h,采用步進式縫焊,無級調速,步進速度調節(jié)范圍0.08~1 m/min。
(6)工作氣壓范圍0.05~0.65 MPa。(7)焊機上配備儲氣罐。
3.1.4 電極
(1)材料:采用鈹鈷銅或鎳鈹銅合金,符合HB5420 -89要求。
(2)規(guī)格:焊輪厚度16mm;上焊輪直徑φ 280 mm、φ 135 mm;下焊輪直徑φ 280 mm、φ 135 mm。
(3)工作端面形狀:球面或平面(單面倒角)。
(4)滾輪與電極臂的配合保證接觸可靠,便于拆卸。
(5)下臂能垂直調節(jié),調節(jié)量200 mm。
3.1.5 控制系統(tǒng)(WS-2000)
(1)焊機能提供恒壓、附加鍛壓力(階形壓力)、附加鍛壓和鍛壓力(馬鞍形壓力)加壓方式;能提供主電流脈沖,具有緩升、緩降電流波形;具有故障診斷和顯示功能??刂葡到y(tǒng)采用16位微處理器技術編程器,可以程控焊接過程中的焊接壓力。
(2)對焊接過程進行恒電流控制和監(jiān)控。
監(jiān)控功能:控制器能儲存最后16個焊點的所有焊接相關參數(shù)(焊接電流、電壓、周波數(shù)等),并能通過手編程序器調出顯示;與控制器接口,可提供更高一級的監(jiān)控,數(shù)據(jù)編輯等功能;用數(shù)據(jù)卡可以儲存16個焊接規(guī)范程序,并可快速復制;還能儲存最后2 000個焊點的所有參數(shù),包括電流、電壓、導通角、焊接周波、熱量以及實際參數(shù)與設定誤差值等,并能通過打印機輸出,通過PC機編程。
3.2 三相低頻鋁合金電阻點焊機
3.2.1 焊接材料及規(guī)格
鋁合金LF5,規(guī)格δ3+δ3+δ2、δ1+δ1;鋁合金LF6,規(guī)格δ2+δ1、δ0.8+δ0.8;高溫合金GH3030、GH3128、GH1140,規(guī)格δ3.5+δ3.5、δ2+δ2、δ0.5+ δ0.5;不銹鋼1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9,規(guī)格δ3.5+δ3.5、δ2+δ2、δ0.5+δ0.5。
3.2.2 電源
三相低頻供電方式380V/50Hz;額定功率300kVA (負載持續(xù)率50%);多級調壓;最大二次電流80000A;焊機具有電網電壓自動補償模式,網路電壓波動±15%,輸出電流波動±2%。
3.2.3 加壓機構
(1)氣動加壓系統(tǒng)(采用雙作用薄膜式氣缸),六種壓力選擇。
(2)加壓0.55 MPa時,鍛壓壓力34 000 N。
(3)加壓系統(tǒng)隨動性好(低慣性設計),導向機構質量輕,摩擦力小。
(4)加壓機構靈活、平穩(wěn)、實現(xiàn)PC控制;在焊接過程中壓力保持穩(wěn)定,焊機在規(guī)定氣壓范圍內和額定焊接速度下工作時電極壓力的波動不超過±8%,上電極下降時應平穩(wěn)無沖擊現(xiàn)象。
(5)焊機的電極臂有足夠的剛性,當施加最大額定壓力時,臂長1 000 mm時下電極臂加支撐離電極桿距離不低于300 mm時,撓度不超過1.2 mm。
(6)焊接速度:大于等于40點/min。
(7)工作氣壓范圍0.05~0.65 MPa。
(8)焊機上配備儲氣罐。
3.2.4 電極
(1)材料:采用鉻鋯銅或鋯鈮銅合金,導電率大于等于80 IACS,布氏硬度大于等于110 kgf/mm2。
(2)規(guī)格尺寸:φ 16 mm,φ 20 mm,φ 25 mm。
(3)工作端面形狀:球面。
(4)電極卡頭錐孔配合應保證電氣接觸可靠,不漏水,同時便于拆卸。配合精度4~6級。當電極壓力在1 500 kgf以下,且電極直徑小于等于25 mm時,錐度可選1∶10;超過時可選1∶5。
(5)下臂能垂直調節(jié),調節(jié)量大于等于150 mm。
3.2.5 控制系統(tǒng)(WS-2000)
(1)焊機能提供恒壓、附加鍛壓力(階形壓力)、附加鍛壓和鍛壓力(馬鞍形壓力)加壓方式,能提供主電流脈沖,具有緩升、緩降電流波形,具有故障診斷和顯示功能??刂葡到y(tǒng)采用16位微處理器技術編程器,可以程控焊接過程中的焊接壓力。
(2)對焊接過程進行恒電流控制和監(jiān)控。
監(jiān)控功能:控制器能儲存最后16個焊點的所有焊接相關參數(shù)(焊接電流、電壓、周波數(shù)等),并能通過手編程序器調出顯示;與控制器接口,可提供更高一級的監(jiān)控,數(shù)據(jù)編輯等功能;用數(shù)據(jù)卡可以儲存16個焊接規(guī)范程序,并可快速復制;還能儲存最后2 000個焊點的所有參數(shù),包括電流、電壓、導通角、焊接周波、熱量以及實際參數(shù)與設定誤差值等,并能通過打印機輸出,通過PC機編程。
3.3 中頻伺服焊機焊接汽車零件
3.3.1 焊接材料及規(guī)格
高強鋼GMW3032,規(guī)格δ0.7+δ0.7、δ0.7+δ2.25、δ0.7+δ2.25+δ0.7;多相超高強度鋼GMW3399,規(guī)格δ1.2+δ0.7;熱成型鋼GMW14400+高強鋼GMW3032,規(guī)格δ1.5+δ1.4、δ1.5+δ3+δ1.6。
3.3.2 電源
中頻直流供電500V/1000Hz;額定功率100kVA (負載持續(xù)率50%)。
3.3.3 加壓機構
伺服機器人焊鉗安裝在機器人上,通過機器人主體控制盤的第七軸來實現(xiàn)與其他六軸的同步控制。該焊鉗采用交流伺服馬達(功率1~2.5 kW)驅動,因此可以隨意設定電極加壓力和行程。焊鉗示意及其參數(shù)如表1所示。
3.3.4 控制系統(tǒng)(MedWeld-6000)
MedWeld-6000控制箱中的逆變器提供觸發(fā)脈沖,中頻變壓器提供焊接電流。
通信模式:離散式集合(DIO)和ETHERNET通信口、或離散式集合(DIO)和DeviceNet通信口。這些通信集合方式為焊接機器人和生產自動化連接提供了完整的功能和編程能力。
該控制箱具有自動電壓和電流補償功能。自動電壓補償方法保持一個要求的一次電壓,自動電流補償保持一個恒定的二次電流。
該控制箱能按應用需要執(zhí)行焊接、延時、電流上下坡、脈沖或時間功能。其他功能項的作用是控制輸出和監(jiān)視輸入的狀態(tài)。
表1 焊鉗參數(shù)
焊接設備的不斷更新與新材料在裝備制造業(yè)中的應用是相輔相成的關系,兩者各自的發(fā)展與約束都是促進向彼此更高層次發(fā)展的動因。
Update of resistence welding machine and extension of welding material application
ZHA Hui-hua
(Shanghai Superior Die Technology Corporation Ltd.,,Shanghai 201209,China)
In industrial production of resistance welding may have great economic value,for resistance welding with a high productivity,don't fill the additional materials and uses of welding.Soldering process is fairly easy to mechanization.Seldom have a harmful gases.No uv damage.The resistance welding equipment works in the production line,so in aviation,electronics industry,automobile,raliway,construction,electrical components,household appliances,commodity industries are widely used.With the development of scientific and technological innovations and breakthroughs,resistance welding equipment upgrading.Applied field and welded the scope of application also continued to expand and mature.At the same time as the scientific development of growth of emerging industries,energy reduction of demand and new materials are constantly emerging the resistance of welding equipment and upgrades.
welding power source;program control;pressurization system;welding material
TG438.2
C
1001-2303(2011)07-0022-07
2011-03-09;
2011-07-05
查慧華(1966—),女,安徽安寧人,工程師,學士,主要從事焊接工作。