LDWS522组装机焊接电源改造及工艺优化

曾伟元

摘 要：LDWS522组装机的焊接机构用来将金属引线焊接到芯子上，从而形成半成品的电容，因此焊接质量的好坏直接导致电容的高频损耗角正切值变大，产品在使用过程中发热严重，产品加速老化，最终引起电性能失效，甚至发生火灾事故。目前LDWS522型组装机的焊接电源采用的是恒电压控制模式的交流焊接电源，该类型电源控制精度低，能量输出不稳定，在生产中经常会出现虚焊、焊接过紧等不良现象，随着客户对产品质量要求的提升和小型化电容产品设计的增多，该焊接电源已越来越无法满足生产需求，因此改善LDS522型组装机焊接系统，便成了解决当前矛盾的首要任务。

关键词：LDWS522组装机；焊接电源；改造；工艺优化

中图分类号：TD421.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0004-03

1 电阻点焊的工作原理及影响焊接的因素

LDWS522型组装机所使用的焊接电源是电阻点焊机。焊接方式，如图1所示，电阻点焊方法是一种利用工件自身的电阻、施加在工件上的加压力和通过的大电流，在工件接触部位产生焦耳热（公式如下所示）而进行熔融的金属连接方法。

Q=KI2RT（1）

其中：K为系数；

R为焊接部位的电阻（Ω）；

I为焊接电流（A）；

T为焊接时间（sec）。

1.1 电阻R 及影响R 的因素

电极间电阻包括引线本身电阻R1，电容端面喷金层本身电阻R2，引线与喷金层间接触电阻R3，电极与引线间接触电阻R4。即：

R=R1+R2+R3+R4（2）

当工件和电极一定时，工件的电阻取决与它的电阻率.因此，电阻率是被焊材料的重要性能.电阻率高的金属其导电性差（如不锈钢），电阻率低的金属其导电性好（如铝合金）。因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易.点焊时，前者可用较小电流（几千安培），而后者就必须用很大电流（几万安培）。电阻率不仅取决与金属种类，还与金属的热处理状态、加工方式及温度有关。

接触电阻存在的时间是短暂，一般存在于焊接初期，由于工件和电极表面有高电阻系数的氧化物或脏物质层，会使电流遭到较大阻碍。过厚的氧化物和脏物质层甚至会使电流不能导通。

1.2 焊接电流的影响

从公式（1）可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。

因此，在焊接过程中，它是一个必须严格控制的参数。引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。

焊接电流可以如下方法比较简单地求得。最初设定较低的焊接电流，如果逐渐增大焊接电流，会发生飞溅。比发生飞溅时的电流值稍低的电流值就是适当的电流。电流值根据焊接机加压系统的追随性的不同而不同。焊接机的追随性愈好，愈容易施加较小的加压力和大的导通电流，即获得最佳的焊接效果。

1.3 焊接时间的影响

为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。

为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称硬规范），也可采用小电流和长时间（弱条件，也称软规范）。选用硬规范还是软规范，取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。

对于不同性能和厚度的金属所需的电流和时间，都有一个上下限，使用时以此为准。

1.4 电极压力的影响

电极压力对两电极间总电阻R有明显的影响，随着电极压力的增大，R显著减小，而焊接电流增大的幅度却不大，不能 影响因R减小引起的产热减少。

因此，焊点强度总随着焊接压力增大而减小。解决的办法是在增大焊接压力的同时，增大焊接电流。

1.5 电极形状及材料性能的影响

由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因此，电极的形状和材料对熔核的形成有显著影响。

随着电极端头的变形和磨损，接触面积增大，焊点强度将降低。

1.6 工件表面状况的影响

工件表面的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。

氧化物层的存在还会影响各个焊点加热的不均匀性，引起焊接质量波动。因此彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件。

2 常见焊接电源的种类与控制模式

2.1 常见焊接电源的种类及特性

常见的电阻焊接电源的焊接波形图，如图2所示。接下来我将对这些焊接电源特点进行一一介绍。

①交流式焊接电源。

这种焊接电源就是我们现在使用的电源，它的特点是：最普遍使用的焊接电源，构造较简单，操作简单并且价格低廉，但是热效能不是很好，容易发生热影响，控制精度差，不适合超精密度焊接，相比较而言适用于容易焊接的材料。

②电容储能式焊接电源。

特点：电容器充电后，流出大电流，适用于热传导性能优越材料如铝镍、铜等。电容充电后即使输入电源容量变小了也能进行稳定地焊接。但从焊接波形图中我们可以看到因为电流急速上升不能控制其倾斜角，容易产生飞溅，所以该焊接电源不适合我们使用。

③晶体管式焊接电源。

特点：电流通过晶体管能够细微的调整电流，能抑制飞溅，能进行超精密焊接，电流的控制速度很快，所以可以在极细线（电灯的灯丝等）的焊接上使用，最适合于高阻焊材质，因我们是焊接铜、锡材料，属于低阻焊材质，因此晶体管式焊接电源也不太适合我们使用。

④直流逆变式焊接电源。

特点：热效率好，焊接时间短（能够控制到1 ms，甚至更短），热影响少，而且通过逆变式高速回路控制，能够有效防止飞溅，保证焊接品质，适用于超精密焊接。因此该类型焊接电源适用我司焊接需求。

2.2 焊接电源控制模式及特性

目前常见的焊接电源一般采用恒电压、恒电流这两种控制模式，特性如下：

①恒电压控制模式。

指在整个焊接过程中电压保持一致，这种控制模式设计简单但存在缺陷，根据公式：I=U/R 的原理，R变大，I就会变小，导致整个焊接回路电流变小，在R大到一定值时，甚至无法保证有效回路的形成，导致产品虚焊。

②恒电流控制模式。

指在焊接过程中电流输出保持不变，通常情况下能够确保焊接的有效，但是根据公式一，如果回路中焊接点存在氧化层或污秽，导致回路中电阻变大，焊点电压过高，一旦回路击破，容易产生飞溅，导致虚焊。

3 LDWS522组装机焊接系统的优缺点

3.1 优 点

目前LDWS522组装机选用的是恒电压控制的交流焊接机，交流焊接机是最普遍使用的焊接电源，这种焊接电源优点是构造较简单，操作方便并且价格低廉。

3.2 焊接电源的控制精度低，控制方式存在缺陷，无法满 足小型化产品需求

交流焊接机有其优点，但是缺点也同样很明显。

缺点1：该类型焊接电源输出只能以整数个周波数来设定，一个周波数的输出是20 ms，也就是说这种电源控制的精度是20 ms，在小型化产品越来越多的今天，这种粗放的控制模式已无法满足生产需求，我们的维修人员在生产调机中往往发现多一个周波数会出现焊的太死，而少一个周末又会虚焊的问题。

缺点2：该类型焊接电源采用恒电压控制方式，根据前面分析，回路电阻足够大时，产品容易虚焊。

4 LDWS522组装机焊接系统的改进

以上分析了常用焊接电源的工作原理以及各自的优缺点，从我公司的焊接小芯子产品的实际要求考虑，本次改造设计用直流逆变式焊接电源，且采用恒功率控制模式，接下来分析一下直流逆变式焊接电源的原理及特性。

4.1 直流逆变式的工作原理

电路图，如图3所示。

从该电路图可以看出逆变电焊机的基本工作原理：先将工频（50 Hz）交流电，经三相桥式整流器整流和滤波变成直流，再通过大功率开关电子元件IGBT，逆变成几10 kHz的中高频交流电，同时经变压器降至适合于焊接的低电压，再次整流并经电抗滤波输出相当平稳的直流焊接电流。

其变换顺序可简单地表示为：工频交流（经整流滤波）→直流（经逆变）→中频交流（降压、整流、滤波）→直流。即为：AC→DC→AC→DC。

该电路中用到的开关电子元件IGBT为双极型绝缘效应管，其开关频率在20～30 kHz之间，并且它可以通过大电流（100 A以上），而且由于外封装引脚间距大，爬电距离大，能抵御环境高压的影响，安全可靠。

4.2 直流逆变式焊接电源的高精度控制特性

焊接波形图，如图4所示。

从焊接波形可以看到该焊接电源分两段波形输出，且可以对每段波形单独设置电流上升的斜率、焊接时间及冷却时间，控制精度达到1 ms，比原来的20 ms提高了20倍。

4.3 直流逆变式焊接电源的恒功率控制特性

恒电压、恒电流控制都存在一定的缺陷，为了达到更好的控制，本次改造我们设计用恒功率控制模式， 恒功率焊接就是通过电流和电压的闭环，控制恒定的输出功率。即同时建立输出的电压、电流反馈闭环控制，实时监测输出功率，这样即保证了足够高的击穿电压，又保证了建立有效电回路所需的焊接电流，而且有效防止飞溅的产生。其电压电流和功率示意图，如图5所示。

4.4 焊接参数的确定

前面我们完成了硬件方面焊接系统的设计改进，同时也完成了整个电路的接线，PLC控制器的编程，接下来就是工艺参数的重新确定，在这个过程中我们做了大量的实验，最终确定了能够保证稳定焊接的工艺参数，见表1。

5 结 语

LDWS522组装机焊接电源改造后电流控制精度度提升至1 mm级，同时采用高可靠性的恒功率控制模式，通过这两项改造使我们的焊机达到了国内领先水平，有效解决了小芯子电容在LDWS522组装机上的焊接难题，焊接效果得到明显的改善，经过近半年的数据统计：焊接不良率由改造前的平均0.58%，下降到改造后的0.1%。按我厂每年生产6亿只产品计算，每年可多增加【60 000万*（0.58%-0.1%）=288万】只合格产品，节约生产成本约57.6万元/年。

LDWS522组装机焊接系统改造成功，不仅节约了生产成本，更重要的是保证了产品质量，提高了产品竞争力。该创新在公司2012年度创新奖评比中得到专家组的肯定，获公司创新一等奖。

参考文献：

[1] 张光先.逆变焊机原理与设计[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] L-CDG1BN32-440，L-CDG1BN32-430，气动元件产品目录[S].

[3] 张兴，杜少武，黄海宏.电力电子技术[M].北京：科学出版社，2010.