本發(fā)明屬于焊接技術領域，涉及有關電阻焊技術，尤其是一種直接接觸式交流梯形波鋁電阻焊工藝方法。

背景技術：

我們知道，大部分電阻焊工藝及設備都是針對碳鋼、不銹鋼、高溫合金、銀、銅進行開發(fā)與研究應用，對于鋁及鋁合金的焊接工藝，也僅限于在直流電源范圍內(nèi)，研究壓力、電極形狀、附加工裝、多脈沖對焊接質(zhì)量、電極壽命、生產(chǎn)效率的影響，對使用交流電源焊鋁沒有過太多的關注和研究。

傳統(tǒng)的汽車鋁車身電阻焊工藝都是采用直流電阻焊電源，每次修磨電極后只能焊10-20個焊點，當采用同心圓電極或其它直接接觸式直流焊(電極與工件直接接觸)，最多也只能在焊30多個焊點后，設備停止工作，再次修磨電極，因此生產(chǎn)效率下降,電極使用壽命減少,成本加大。特別是焊接3層及以上薄板組合時每層之間熔核大小相差太大現(xiàn)象，焊接質(zhì)量難以保證。究其原因，是因為直流焊接存在極性效應，即電流自正極流向負極側(cè)時，兩側(cè)電極與工件接觸具有方向性，接觸產(chǎn)生的電勢差是矢量，即在電場作用下導致銅鋁接觸的電勢差與鋁銅接觸的電勢差不同，經(jīng)測試電勢差相差約25％；即在焊接時,正極側(cè)銅鋁接觸電壓高于負極側(cè)鋁銅接觸電壓，根據(jù)公式q＝0.24·i·u·t，由于電流i通電時間t相同，造成兩側(cè)的熱量也相差約25％，導致兩側(cè)電極鋁向銅電極擴散滲透性不同。根本原因是由于正極側(cè)銅鋁接觸電阻熱量大于負極側(cè)鋁銅接觸電阻熱量，造成了焊接區(qū)域溫度場發(fā)生了改變，使得正極側(cè)銅電極與鋁極容易粘連，其結(jié)果影響了電阻點焊的焊接效率,電極壽命及焊接質(zhì)量。

申請人公司作為電阻焊的專業(yè)公司，研制并開發(fā)了如下三種焊接專利技術：

1、一種脈寬可調(diào)式交直流逆變電阻焊接的工藝方法(cn103008865a)，該方法實施步驟如下：首先，將焊接變壓器裝在機身內(nèi)，變壓器初級線圈接控制器u、v輸出端，次級通過銅導體和焊接電極固定在加壓機構上，用于壓緊焊接工件；采用脈寬可調(diào)式焊接變壓器用于輸出低電壓大焊接電流，脈寬可調(diào)式逆變控制器用于控制焊接波形；根據(jù)公式u＝4.44·f·n·b·s·10^-4導出公式：脈寬t/2＝1000/2·f＝2.22·n·b·s·10^-1/u來設計脈寬可調(diào)焊接變壓器；通過調(diào)整不同時刻的脈寬和焊接電流，以完成不同的波形圖相對應的焊接工藝方法。

2、一種汽車金屬薄板無飛濺動態(tài)加熱自適應電阻焊接的方法(cn103394801a)，其實施步驟如下：首先利用無次級整流焊接變壓器及脈寬可調(diào)交流逆變電源，通過調(diào)用不同金屬材料熱平衡因子，使熔核形成過程中始終處于無飛濺的通電加熱熔化、冷卻結(jié)晶熱平衡過程；并通過檢測電極兩端的動態(tài)電阻變化率來控制熔核大小。

3、一種電阻焊熔核質(zhì)量控制方法(cn102107323a)，實施步驟如下：將三相電源接入控制器，經(jīng)限流電阻整流二極管及全波半控整流電路整流，電容器濾波經(jīng)控制電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?，再將直流電輸入由igbt組成的h橋回路中，按主控制電路及程序從u.v端輸出正負半波交替變化的交流電。

通過技術特征的對比，上述公開專利文獻中，專利文獻1創(chuàng)新在多點凸焊、精密焊接、對極性效應敏感的焊接工件等方面，與其它焊機相比高效節(jié)能、焊接質(zhì)量高；在不改變焊機種類情況下，一機多能，大大提高了調(diào)整焊機的效率。對比文獻2則是引入無飛濺熱平衡因子t+t0，有效解決了焊接過程的飛濺問題，提高了焊接質(zhì)量。而對比文獻3則是在原焊接參數(shù)基礎上增加一個焊接參數(shù)即熔核系數(shù)c，每一個焊接加熱周期電流輸出波形可通過兩個獨立參數(shù)量來精確控制，使焊接電流波形控制方式發(fā)生了根本性改變，在焊接過程中降低了焊機調(diào)控難度，增大焊核的深度，減少飛濺，降低電阻焊機對材料變化、電網(wǎng)波動、壓力變化的敏感性，易于通過調(diào)整熔核系數(shù)c獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

因此，上述公開專利文獻與本發(fā)明申請的發(fā)明目的有較大不同，不會影響本發(fā)明申請的創(chuàng)造性及新穎性。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足之處，提供一種直接接觸式交流梯形波鋁電阻焊工藝方法，該方法是通過控制電流的上升速度并在焊接電極兩側(cè)輸出正負交替、頻率可調(diào)、低電壓大電流的焊接波形，從根本上克服了鋁合金電阻焊時正極側(cè)電極壽命小于負極側(cè)壽命以及同心圓電極焊件無法使用無損探傷檢驗焊接質(zhì)量和熔核偏移的問題，能使電極每次連續(xù)焊點數(shù)延長2-5倍，大大提高了電極使用壽命。

本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種直接接觸式交流梯形波鋁電阻焊工藝方法，所涉及的鋁合金電阻焊設備包括逆變控制器及交流變壓器、焊接電極與加壓機構及冷卻系統(tǒng)，步驟如下：

⑴將交流變壓器裝在電阻焊設備上，該交流變壓器的初級線圈接逆變控制器u、v輸出端，該交流變壓器次級通過銅或鋁導體與焊接電極及電阻焊設備的加壓機構相連

⑵所用交流變壓器，次級不按裝整流器或可控硅；所用逆變控制器，是采用頻率可調(diào)、正負半波電流上升率可控的交流梯形波控制器；

技術參數(shù)如下：

交流變壓器參數(shù):輸出峰值電流32ka-70ka，電壓10-30v；

逆變控制器參數(shù):輸出電流800-4800a，頻率30-80hz，占空比20-100％，焊接周波數(shù)

1-20周波；

⑶逆變控制器是將三相電源通過限流電阻r1以及整流二極管d1、d、可控硅scr、濾波電容器c，將交流電變?yōu)橹绷麟?；再將直流電輸入由igbt組成的h橋回路中，在控制電路的控制下從u、v端輸出給交流變壓器初級頻率可調(diào)、電壓可調(diào)、電流上升率可控的交變電壓，并在次級感應線圈上產(chǎn)生所需的交流梯形波焊接電流，進行焊接。

而且，所述交流梯形波焊接電流的參數(shù)為：

電流上升階段占空比95％-100％；

頻率25-80hz；

峰值電流3.2-7萬安培；

焊接周波數(shù)1-20。

而且，所述鋁合金電阻焊設備的焊接參數(shù)為：

焊接壓力p；

變壓器匝數(shù)比n2/n1＝1:50-1:15；

預熱段檢測時間0-3周波，占空比10-50％；

自動處理時間0-100周波，占空比20-80％。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果為：

1、本發(fā)明所設計的能控制正負半波電流上升速度的交流梯形波逆變控制器和輸出電壓10-30伏、峰值電流3.2-7萬安培、頻率25-80赫茲的交流變壓器(變壓器次級無整流器或可控硅)，將控制器、變壓器利用導體、焊接電極與加壓機構及冷卻系統(tǒng)相連組成電阻焊設備(移動式焊機或固定式焊機)，使其能在加壓焊接工件時，在電極兩側(cè)輸出正負交變的梯形波電流，并按指定占空比、焊接電流、頻率、焊接周波數(shù)、焊接壓力大小進行焊接，從根本上克服了直流焊鋁時正極側(cè)電極損耗大于負極側(cè)電極損耗以及同心圓電極焊件無法使用無損探傷檢驗焊接質(zhì)量的問題，大大提高了電極使用壽命和焊接質(zhì)量。實踐證明該方法每修磨一次電極能焊50-150焊點，電極壽命延長了2-5倍，極大提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，使鋁及鋁合金電阻焊工藝發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

2、本發(fā)明區(qū)別于傳統(tǒng)使用直流電源、與使用直流電源加同心圓電極的鋁電阻焊工藝方法，是從電源屬性角度來解決問題，具有電極使用壽命長、焊接成本低、焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、不用輔助裝備、變壓器故障率低等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明交流變壓器的原理圖；

圖2是本發(fā)明逆變控制器的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明的焊接電流波形圖；

圖4是本發(fā)明固定式焊機的結(jié)構圖；

圖5是本發(fā)明移動式焊機的結(jié)構圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做進一步詳述；需要說明的是：本實施例是描述性的，不是限定性的，不能以此來限定本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明所涉及的直接接觸式交流梯形波鋁電阻焊工藝方法，包括能控制正負半波電流上升速度的交流梯形波逆變控制器，以及輸出電壓10-30伏、峰值電流3.2-7萬安培、頻率25-80赫茲的交流變壓器(次級無整流器或可控硅)，將逆變控制器、交流變壓器利用導體、焊接電極與加壓機構及冷卻系統(tǒng)相連組成電阻焊設備，如圖5的移動式焊機及圖4的固定式焊機，使其能在加壓焊接工件時，在電極兩側(cè)輸出正負交變的梯形波電流，并按指定占空比、焊接電流、頻率、焊接周波數(shù)、焊接壓力大小進行焊接。

由于本發(fā)明申請的創(chuàng)新點在于通過調(diào)整占空比,控制電極兩側(cè)正負交變的梯形波的電流的上升速度；以及選擇使用特定頻率，及特定電流大小，特定電壓的交流變壓器。

本發(fā)明僅涉及逆變控制器和交流變壓器的變動，而移動式焊機及固定式焊機的整體結(jié)構基本沒有改變，因此只給出了移動式焊機及固定式焊機的圖示，并沒有對結(jié)構進行描述。

本發(fā)明的交流變壓器由初次線圈，次級線圈及鐵芯組成，參見圖1。

本發(fā)明逆變控制器的逆變電路原理圖參見圖2，工作原理如下：

⑴輸入電源：三相110v-440v；

⑵橋式全波半控整流電路：由可控硅及整流二極管組成，電流200-2000安，耐壓1200-2000伏，功能是把交流變成脈動直流；

⑶濾波電路：由多只耐壓400-900伏，容量330-10000微法的電容器串并聯(lián)組成，功能是把脈動直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定直流電壓；

⑷逆變電路：由igbt組成的h橋電路，igbt耐壓1200-2000伏，電流200-2000安，功能是將直流電經(jīng)igbt按一定占空比從u、v端輸出電壓可調(diào)，頻率可變的交流方波，然后通過變壓器初級線圈，在變壓器次級感應出交變的低壓交變梯形波，用于焊鋁；

⑸電源及igbt驅(qū)動電路：產(chǎn)生控制器件工作的+5v、±15v、+24v電源，控制igbt開通關斷及igbt故障時保護信號以及控制可控硅充電的觸發(fā)信號；

⑹主控板電路:以dsp(即數(shù)字信號處理器)為核心組成的程序控制電路；

通過數(shù)字輸入輸出控制電路，模擬運算放大電路來控制焊接電流，焊接時間，電流波形，輸入輸出信號；

⑺初次極(或次級)電流檢測：由電流互感器組成，通過檢測輸出電流的大小及變化量反饋給主控電路達到控制高精度的輸出電流；

⑻編程器：將焊接數(shù)據(jù)輸入給控制器的人機界面。

一種直接接觸式交流梯形波鋁電阻焊工藝方法，步驟如下：

⑴將交流變壓器裝在電阻焊設備上，該交流變壓器的初級線圈接逆變控制器u、v輸出端，該交流變壓器次級通過銅或鋁導體與焊接電極及電阻焊設備的加壓機構相連；

⑵所用交流變壓器，次級不按裝整流器或可控硅；所用逆變控制器，是采用頻率可調(diào)、正負半波電流上升率可控的交流梯形波控制器；

技術參數(shù)如下：

交流變壓器參數(shù):輸出峰值電流3.2-7萬安培，電壓10-30伏特；

逆變控制器參數(shù):輸出電流800-4800培，頻率25-80赫茲，占空比10-100％，焊接周波數(shù)1-20相當于10-300ms；

⑶逆變控制器是將三相電源通過限流電阻r1以及整流二極管d1、d、可控硅scr、濾波電容器c，將交流電變?yōu)橹绷麟?；再將直流電輸入由igbt組成的h橋回路中，在控制電路的控制下從u、v端輸出給交流變壓器初級頻率可調(diào)、電壓可調(diào)、電流上升率可控的交變電壓，并在次級感應線圈上產(chǎn)生所需的交流梯形波焊接電流，進行焊接。

焊接波形參見圖3。

本發(fā)明所涉及的工藝方法進行以下參數(shù)的設定：

焊接壓力p；

變壓器匝數(shù)比n2/n1；

預熱段檢測時間0-3周波，占空比10-50％

自動處理時間0-100周波，占空比20-80％。

焊接參數(shù)：

交流梯形波；

電流上升階段占空比95％-100％；

頻率25-80hz；

峰值電流3.2-7萬安培；

焊接周波數(shù)1-20相當于10-300ms。

本發(fā)明使用圖1的焊接電流波形：

1、使用交流梯形波，能解決直流電源電阻焊焊鋁電極壽命短、熔核偏移、電極易粘連問題，其原理可用鋁銅,銅鋁接觸產(chǎn)生電勢差以及交流逆變電源控制方式上解釋清楚。

2、控制交流梯形波每半波電流上升段占空比為95-100％，使電流從零上升到峰值電流imax＝32ka-70ka的時間處于t0＝1-5ms范圍內(nèi)，讓焊接波形接近矩形，在最短時間達到焊鋁的必要電流值，這是焊接鋁的核心點之一，否則由于電流密度不足、鋁散熱快，導致鋁熔核未形成而焊接失敗。

3、控制電源頻率為25赫茲到80赫茲，是鋁焊接關鍵點之二。

當頻率大于80赫茲，焊接波形接近三角波，導致焊接電流小，焊接熱量不足，焊接失敗；

當頻率小于25赫茲，焊接波形接近矩形波，焊接電流大，焊接可以成功；但由于半波時間t/2大于(1000/25)/2＝20ms較長，它即在一個周波內(nèi)的正半波，時間也較長，根據(jù)公式q＝0.24·i·u·t，在正極性側(cè)產(chǎn)生的熱量較大，電極粘連傾向增加，影響電極壽命。

下面通過三個應用實例，進一步驗證本發(fā)明申請的技術優(yōu)勢和突出效果。

應用實例1：

針對1.5mm+1.5mm鋁合金點焊工參數(shù)：

焊接壓力p＝4000n；

變壓器匝數(shù)比n2/n1＝1:28；

上升階段占空比95％；

焊接峰值電流imax＝38ka；

焊接頻率f＝50赫茲；

焊接周波數(shù)n＝5；

每連續(xù)焊接130個焊點且滿足焊接質(zhì)量,需修磨一次電極。

應用實例2：

針對3mm+3mm鋁合金點焊工參數(shù)：

焊接壓力p＝4000n；

變壓器匝數(shù)比n2/n1＝1:40；

上升階段占空比100％；

焊接峰值電流imax＝40ka；

焊接頻率f＝40赫茲；

焊接周波數(shù)n＝12；

每連續(xù)焊接65個焊點且滿足焊接質(zhì)量,需修磨一次電極。

應用實例3：

針對1.5mm+3mm+1.5鋁合金點焊工參數(shù)：

焊接壓力p＝4000n；

變壓器匝數(shù)比n2/n1＝1:40；

上升階段占空比95％；

焊接峰值電流imax＝39ka；

焊接頻率f＝45赫茲；

焊接周波數(shù)n＝8；

連續(xù)焊接100次滿足焊接質(zhì)量要求,且熔核大小一致(直流焊熔核一大一小),而后才需修磨一次電極。

上述參照實施例對電阻焊工藝方法進行的詳細描述，是說明性的而不是限定性的；因此在不脫離本發(fā)明總體構思下的變化和修改，應屬本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本發(fā)明的工作原理是：

通過調(diào)整逆變電路的占空比及焊接變壓器的電壓，在正負銅電極之間形成交變梯形波，該梯形波的電流、頻率適合焊接鋁及鋁合金；也可根據(jù)不同厚度的鋁合金板，隨時調(diào)整電流、電壓、頻率及占空比范圍。由于在半波的起始段用95％-100％大占空比，因此電流爬升非?？欤谠擃l率及大電流雙重作用下，鋁與鋁之間迅速達到焊接所需熱量，銅電極由于正負交替的原因,在正極側(cè)熱量恰好達不到鋁向銅滲透所需的熱量，就轉(zhuǎn)成交變的負極側(cè)，使得焊接電極的兩極都不會形成電極與鋁合金的粘連現(xiàn)象，避免了由于電源屬性問題造成的一側(cè)過熱,出現(xiàn)粘連、穿透,飛濺等質(zhì)量問題，極大地提高了電極的使用壽命，以及電阻焊鋁合金的生產(chǎn)效率。