曾偉元

摘 要：LDWS522組裝機的焊接機構(gòu)用來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)品在使用過程中發(fā)熱嚴重，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)常會出現(xiàn)虛焊、焊接過緊等不良現(xiàn)象，隨著客戶對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提升和小型化電容產(chǎn)品設(shè)計的增多，該焊接電源已越來越無法滿足生產(chǎn)需求，因此改善LDS522型組裝機焊接系統(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；焊接電源；改造；工藝優(yōu)化

中圖分類號：TD421.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0004-03

1 電阻點焊的工作原理及影響焊接的因素

LDWS522型組裝機所使用的焊接電源是電阻點焊機。焊接方式，如圖1所示，電阻點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，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，點焊不銹鋼時產(chǎn)熱易而散熱難，點焊鋁合金時產(chǎn)熱難而散熱易.點焊時，前者可用較小電流（幾千安培），而后者就必須用很大電流（幾萬安培）。電阻率不僅取決與金屬種類，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，會使電流遭到較大阻礙。過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，電流對產(chǎn)熱的影響比電阻和時間兩者都大。

因此，在焊接過程中，它是一個必須嚴格控制的參數(shù)。引起電流變化的主要原因是電網(wǎng)電壓波動和交流焊機次級回路阻抗變化。

焊接電流可以如下方法比較簡單地求得。最初設(shè)定較低的焊接電流，如果逐漸增大焊接電流，會發(fā)生飛濺。比發(fā)生飛濺時的電流值稍低的電流值就是適當(dāng)?shù)碾娏?。電流值根?jù)焊接機加壓系統(tǒng)的追隨性的不同而不同。焊接機的追隨性愈好，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 焊接時間的影響

為了保證熔核尺寸和焊點強度，焊接時間與焊接電流在一定范圍內(nèi)可以相互補充。

為了獲得一定強度的焊點，可以采用大電流和短時間（強條件，又稱硬規(guī)范），也可采用小電流和長時間（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、厚度和所用焊機的功率。

對于不同性能和厚度的金屬所需的電流和時間，都有一個上下限，使用時以此為準。

1.4 電極壓力的影響

電極壓力對兩電極間總電阻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，焊點強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，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，焊點強度將降低。

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。過厚的氧化物層甚至?xí)闺娏鞑荒芡ㄟ^。局部的導(dǎo)通，由于電流密度過大，則會產(chǎn)生飛濺和表面燒損。

氧化物層的存在還會影響各個焊點加熱的不均勻性，引起焊接質(zhì)量波動。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 常見焊接電源的種類與控制模式

2.1 常見焊接電源的種類及特性

常見的電阻焊接電源的焊接波形圖，如圖2所示。接下來我將對這些焊接電源特點進行一一介紹。

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，它的特點是：最普遍使用的焊接電源，構(gòu)造較簡單，操作簡單并且價格低廉，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電容儲能式焊接電源。

特點：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行穩(wěn)定地焊接。但從焊接波形圖中我們可以看到因為電流急速上升不能控制其傾斜角，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：電流通過晶體管能夠細微的調(diào)整電流，能抑制飛濺，能進行超精密焊接，電流的控制速度很快，所以可以在極細線（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：熱效率好，焊接時間短（能夠控制到1 ms，甚至更短），熱影響少，而且通過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。

指在整個焊接過程中電壓保持一致，這種控制模式設(shè)計簡單但存在缺陷，根據(jù)公式：I=U/R 的原理，R變大，I就會變小，導(dǎo)致整個焊接回路電流變小，在R大到一定值時，甚至無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，如果回路中焊接點存在氧化層或污穢，導(dǎo)致回路中電阻變大，焊點電壓過高，一旦回路擊破，容易產(chǎn)生飛濺，導(dǎo)致虛焊。

3 LDWS522組裝機焊接系統(tǒng)的優(yōu)缺點

3.1 優(yōu) 點

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

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

交流焊接機有其優(yōu)點，但是缺點也同樣很明顯。

缺點1：該類型焊接電源輸出只能以整數(shù)個周波數(shù)來設(shè)定，一個周波數(shù)的輸出是20 ms，也就是說這種電源控制的精度是20 ms，在小型化產(chǎn)品越來越多的今天，這種粗放的控制模式已無法滿足生產(chǎn)需求，我們的維修人員在生產(chǎn)調(diào)機中往往發(fā)現(xiàn)多一個周波數(shù)會出現(xiàn)焊的太死，而少一個周末又會虛焊的問題。

缺點2：該類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，產(chǎn)品容易虛焊。

4 LDWS522組裝機焊接系統(tǒng)的改進

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，從我公司的焊接小芯子產(chǎn)品的實際要求考慮，本次改造設(shè)計用直流逆變式焊接電源，且采用恒功率控制模式，接下來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，再通過大功率開關(guān)電子元件IGBT，逆變成幾10 kHz的中高頻交流電，同時經(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。

該電路中用到的開關(guān)電子元件IGBT為雙極型絕緣效應(yīng)管，其開關(guān)頻率在20～30 kHz之間，并且它可以通過大電流（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，且可以對每段波形單獨設(shè)置電流上升的斜率、焊接時間及冷卻時間，控制精度達到1 ms，比原來的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，為了達到更好的控制，本次改造我們設(shè)計用恒功率控制模式， 恒功率焊接就是通過電流和電壓的閉環(huán)，控制恒定的輸出功率。即同時建立輸出的電壓、電流反饋閉環(huán)控制，實時監(jiān)測輸出功率，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)計改進，同時也完成了整個電路的接線，PLC控制器的編程，接下來就是工藝參數(shù)的重新確定，在這個過程中我們做了大量的實驗，最終確定了能夠保證穩(wěn)定焊接的工藝參數(shù)，見表1。

5 結(jié) 語

LDWS522組裝機焊接電源改造后電流控制精度度提升至1 mm級，同時采用高可靠性的恒功率控制模式，通過這兩項改造使我們的焊機達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，有效解決了小芯子電容在LDWS522組裝機上的焊接難題，焊接效果得到明顯的改善，經(jīng)過近半年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計：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)品計算，每年可多增加【60 000萬*（0.58%-0.1%）=288萬】只合格產(chǎn)品，節(jié)約生產(chǎn)成本約57.6萬元/年。

LDWS522組裝機焊接系統(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)品競爭力。該創(chuàng)新在公司2012年度創(chuàng)新獎評比中得到專家組的肯定，獲公司創(chuàng)新一等獎。

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