【技術(shù)研討】精密逆變縫焊電源的研制

2021-03-20 14:52:46

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文/曹彪黃志華

摘要：電阻縫焊在器件封裝等應(yīng)用中要求電源具有較高的精密性.針對精密電阻縫焊的要求, 研制了逆變電阻縫焊電源, 文中簡要介紹了電源主電路、控制電路的構(gòu)成和系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu), 介紹了適應(yīng)于精密焊接的波形設(shè)計, 給出了實際波形測試結(jié)果.結(jié)果表明, 電源的波形設(shè)定靈活, 電流、時間等參數(shù)控制準確, 能夠滿足精密焊接的需要.實際用于晶振等器件的平行縫焊封裝, 表明該電源能滿足高質(zhì)量的焊接要求, 是一種理想的精密縫焊電源.

0 序言

縫焊是將焊體裝配成搭接或?qū)咏宇^并置于兩滾輪電極之間, 滾輪加壓焊件并轉(zhuǎn)動, 連續(xù)或斷續(xù)放電, 形成一種連續(xù)焊縫的電阻焊方式.縫焊是熱—機械(力)聯(lián)合作用的焊接過程。電阻縫焊具有生產(chǎn)效率高、操作簡單、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點, 在汽車、摩托車、工程機械、航空航天、金屬包裝等領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來, 由于新材料、新技術(shù)的發(fā)展, 對縫焊過程有了進一步認識, 同時也對縫焊的質(zhì)量、控制提出了新的要求.器件、儀器、設(shè)備的精密化, 要求縫焊的過程更加穩(wěn)定、可靠, 焊接輸入能量必須能精密控制, 以獲得密封性好、耐腐蝕性高、質(zhì)量可靠、表面美觀的焊縫.尺寸很小的小型或微型化焊件也對縫焊提出了更高的要求。

目前中國用于制桶、制罐等行業(yè)的大部分精密電阻縫焊電源是從美國和日本等國進口,價格昂貴,維護極為不便.現(xiàn)在國內(nèi)自行研制的縫焊電源的頻率為0.6～1 kHz , 采用恒流控制, 不能很好地滿足精密縫焊的要求, 也沒有形成產(chǎn)品.因此研制頻率更高、采用精確波形控制的精密縫焊電源具有實際的意義。文中研究的精密逆變電源, 以絕緣柵雙極型晶體管(insolated gate bipolar transistor , IGBT)構(gòu)成逆變主電路, 逆變頻率4 kHz , 以PIC18F6585 為控制核心, 實現(xiàn)電流及其波形、加熱時間的更精確的控制,很好地滿足了精密電阻縫焊的需要。

1 硬件設(shè)計

1.1　電源主電路的設(shè)計

精密電阻縫焊的原理如圖1 所示.三相交流經(jīng)整流濾波成紋波直流, 提供給由IGBT和中頻變壓器組成的逆變器, 在驅(qū)動電路的控制下IGBT1,IGBT4和IGBT2, IGBT3交替導(dǎo)通和關(guān)斷, 轉(zhuǎn)換成中頻交流電, 經(jīng)變壓器T 降壓, 再經(jīng)過二極管VD1 ,VD2 組成的整流電路整流成直流電, 提供給負載使用.焊接電流可通過控制IGBT 的開通和關(guān)斷得到有效的控制。

圖1　逆變電阻縫焊電源主電路原理圖

由于采用逆變技術(shù), 逆變直流電阻電源具有以下特點。

(1) 響應(yīng)速度快.采用4 kHz 逆變頻率,時間調(diào)節(jié)和反饋控制周期為0.25 ms , 時間分辨率提高, 電源響應(yīng)快, 電流脈動小、輸出穩(wěn)定。

(2) 工藝優(yōu)勢明顯.焊接電流為脈動直流, 無交流過零不加熱工件的缺點, 改善了焊接工藝性能, 焊接范圍擴大, 相同的焊接對象所需焊接電流減小, 電極發(fā)熱小、壽命長.逆變橋采用有限雙極性脈寬調(diào)制控制, 工作在軟開關(guān)狀態(tài), 電路損耗小。

1.2 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計

微機控制系統(tǒng)如圖2所示.系統(tǒng)采用的MCU是PIC系列微控制器里較新型的高檔微控制器PIC18F6585, 其內(nèi)部配備了42k的Flash程序存儲器(ROM)和8k隨機存儲寄存器(RAM), 串行通訊模塊, 3個時鐘模塊, 10bits AD轉(zhuǎn)換模塊。68管腳提供了充分的IO通道, 最高工作頻率可達到20 MHz ,每條周期指令執(zhí)行時間為200 ns .

圖2　控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)可以對縫焊的焊接電流、電壓的有效值按照0.25 ms 的周期進行檢測和數(shù)據(jù)記錄, 計算出焊接的瞬時功率, 焊接結(jié)束后對各階段的這些實測值的平均值進行計算并在LCD 上顯示.通過鍵盤和LCD 組成的人機界面可以方便地設(shè)定各種參數(shù), 顯示電源的狀態(tài)等.利用串行通訊接口可以方便地向PC 發(fā)送數(shù)據(jù), 把測試的結(jié)果保存在PC , 也可以接收PC 發(fā)送的參數(shù)。

MCU 還產(chǎn)生4 路數(shù)字控制PWM 信號, 通過驅(qū)動電路驅(qū)動逆變橋的IGBT , 實現(xiàn)輸出調(diào)節(jié).此外, 電源還具有4 路啟動, 3 路電磁閥驅(qū)動, 多路狀態(tài)輸出等I O 接口.電源對過熱、過流、網(wǎng)壓異常自動監(jiān)控, 對實測參數(shù)值超出限定范圍自動報警。

2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)流程圖如圖3 所示.先由鍵盤輸入預(yù)置電流波形參數(shù), 焊接過程開始后對實際電流進行采樣, 并與給定值進行比較、運算, 根據(jù)偏差結(jié)果調(diào)整PWM 輸出對焊接電流進行實時控制, 不同階段加熱脈沖電流給定值依據(jù)電流設(shè)定確定.同時, 系統(tǒng)在工作過程中, 一旦發(fā)生電流異常, 立即關(guān)斷PWM 輸出, 停止焊接, 進入報警狀態(tài), 顯示故障信息并向上位機輸出報警信號。

圖3　軟件系統(tǒng)流程圖

3 焊接電流波形設(shè)計

按電流加熱的形式, 電阻縫焊分為連續(xù)縫焊和斷續(xù)縫焊.斷續(xù)縫焊的焊縫實際上是一個個焊點的搭接, 由于熱輸入小, 在精密件的焊接中是優(yōu)先采用的方式.設(shè)計采用脈沖加熱的方式, 在電流脈沖階段加熱形成焊點, 在脈沖間隔階段滾輪滾過一定距離。脈沖時間、間隔時間和滾輪速度決定焊點搭接的密度, 當然也影響焊縫的平均熱輸入?？p焊的分流和焊接位置的差異要求焊接電流不同, 要使得整條焊縫均勻, 電流必須相應(yīng)改變。

電流設(shè)計波形如圖4 所示.圖4 中p 表示加壓, I 表示電流, t 表示時間, n 為脈沖個數(shù)。

圖4　電流設(shè)計波形示意圖

電源可以設(shè)定4 個電流值, I0為初始電流, I1和I2為平穩(wěn)電流, I3為終止電流, 把整個電流過程分為5個階段.由I0到I1的上升階段, 用于彌補初始分流的影響;I1 的平穩(wěn)電流階段, 保持穩(wěn)定的焊接;I1到I2的電流緩降階段, 可以消除熱積累的影響;熱平衡后I2的平穩(wěn)加熱階段, 保持穩(wěn)定焊縫;I2到I3的下降階段, 對結(jié)束段處于尖角等位置有好處。

各階段由相應(yīng)的脈沖數(shù)(n)的設(shè)定來控制時間, I2平穩(wěn)加熱段則是開放的, 由電源的啟動信號決定.脈沖的加熱時間和間隔時間由th和tc表示.每個脈沖的加熱和冷卻時間可分別由thh和tcc設(shè)定。thh的設(shè)定范圍為0～999逆變周期(對4kHz 的逆變頻率, 每周期為0.25ms), 這樣設(shè)計可以提高加熱時間調(diào)節(jié)精度;tcc的設(shè)定范圍為0～999ms。通過thh和tcc的設(shè)置, 可以精確的控制脈沖的加熱和冷卻時間, 從而達到對焊接熱量的精密控制, 實現(xiàn)精密縫焊。

整個焊接過程控制分為電極壓下(t1)、預(yù)壓(t2)、加熱波形控制(n1-n4)、保持(t3)和休止(t4)等階段。

這些設(shè)置的參數(shù)和波形顯示在240×128的LCD屏上, 顯示直觀, 輸入方便。

4 試驗結(jié)果與分析

通過鍵盤對電源設(shè)定焊接工藝參數(shù), 通過示波器測量實際電流波形, 如圖5所示。

圖5　實際焊接電流波形

由圖5可以看出, 實際電流波形與電流設(shè)計波形基本一致.此種波形已經(jīng)用于金屬管殼的封裝。圖6 為用于貼片晶振的平行縫焊封裝的實物照片對于帶有角部金屬管殼的封裝, 在起始、中間和結(jié)束處所需的熱量是不同的.在焊縫開始和結(jié)束處, 由于為角部區(qū)域, 散熱較差所需熱量較小, 中間所需熱量較大, 且隨焊接時間的延長, 焊件溫度上升, 所需的熱量也要減小.因此所需的電流波形如圖5 所示。實踐證明, 用該工藝對金屬管殼進行封裝, 焊縫均勻、密封性好。

圖6　焊接試驗試樣

圖7 為焊接時單個脈沖的電流波形.每個加熱脈沖段電流呈脈動直流, 脈動是由占空比和回路電感決定的.電流在開始階段有一個上升過程, 也是由于輸出回路存在電感, 通過控制電流達到一個平穩(wěn)的值.由于是直流加熱, 熱量集中, 有利于焊點成形.通過電流給定和時間給定, 可以精細地控制每個脈沖的加熱.

圖7　單個脈沖波形

根據(jù)焊接材料、厚度的不同, 可以通過對參數(shù)的調(diào)節(jié)完成高質(zhì)量焊接.此外, 也可以改變電流給定得到不同的電流波形.圖8 是兩種不同波形的測量結(jié)果, 其中圖8a 適合于環(huán)焊縫的焊接, 起始階段電流逐漸增加消除分流影響, 過程中電流減小補償熱累積, 最后電流增加主要是彌補焊縫搭接時起始段的分流.圖8b 可以滿足初始段減小電流的情況.波形的靈活性和能量調(diào)節(jié)的精密性能夠滿足不同焊接情況的需要。