【技术研讨】精密逆变缝焊电源的研制

文/曹彪 黄志华

摘要：电阻缝焊在器件封装等应用中要求电源具有较高的精密性.针对精密电阻缝焊的要求, 研制了逆变电阻缝焊电源, 文中简要介绍了电源主电路、控制电路的构成和系统控制软件结构, 介绍了适应于精密焊接的波形设计, 给出了实际波形测试结果.结果表明, 电源的波形设定灵活, 电流、时间等参数控制准确, 能够满足精密焊接的需要.实际用于晶振等器件的平行缝焊封装, 表明该电源能满足高质量的焊接要求, 是一种理想的精密缝焊电源.

0 序言

缝焊是将焊体装配成搭接或对接接头并置于两滚轮电极之间, 滚轮加压焊件并转动, 连续或断续放电, 形成一种连续焊缝的电阻焊方式.缝焊是热—机械(力)联合作用的焊接过程。电阻缝焊具有生产效率高、操作简单、易于实现自动化等优点, 在汽车、摩托车、工程机械、航空航天、金属包装等领域均得到了广泛的应用。

近年来, 由于新材料、新技术的发展, 对缝焊过程有了进一步认识, 同时也对缝焊的质量、控制提出了新的要求.器件、仪器、设备的精密化, 要求缝焊的过程更加稳定、可靠, 焊接输入能量必须能精密控制, 以获得密封性好、耐腐蚀性高、质量可靠、表面美观的焊缝.尺寸很小的小型或微型化焊件也对缝焊提出了更高的要求。

目前中国用于制桶、制罐等行业的大部分精密电阻缝焊电源是从美国和日本等国进口,价格昂贵,维护极为不便.现在国内自行研制的缝焊电源的频率为0.6～1 kHz , 采用恒流控制, 不能很好地满足精密缝焊的要求, 也没有形成产品.因此研制频率更高、采用精确波形控制的精密缝焊电源具有实际的意义。文中研究的精密逆变电源, 以绝缘栅双极型晶体管(insolated gate bipolar transistor , IGBT)构成逆变主电路, 逆变频率4 kHz , 以PIC18F6585 为控制核心, 实现电流及其波形、加热时间的更精确的控制,很好地满足了精密电阻缝焊的需要。

1 硬件设计

1.1　电源主电路的设计

精密电阻缝焊的原理如图1 所示.三相交流经整流滤波成纹波直流, 提供给由IGBT和中频变压器组成的逆变器, 在驱动电路的控制下IGBT1,IGBT4和IGBT2, IGBT3交替导通和关断, 转换成中频交流电, 经变压器T 降压, 再经过二极管VD1 ,VD2 组成的整流电路整流成直流电, 提供给负载使用.焊接电流可通过控制IGBT 的开通和关断得到有效的控制。

图1　逆变电阻缝焊电源主电路原理图

由于采用逆变技术, 逆变直流电阻电源具有以下特点。

(1) 响应速度快.采用4 kHz 逆变频率,时间调节和反馈控制周期为0.25 ms , 时间分辨率提高, 电源响应快, 电流脉动小、输出稳定。

(2) 工艺优势明显.焊接电流为脉动直流, 无交流过零不加热工件的缺点, 改善了焊接工艺性能, 焊接范围扩大, 相同的焊接对象所需焊接电流减小, 电极发热小、寿命长.逆变桥采用有限双极性脉宽调制控制, 工作在软开关状态, 电路损耗小。

1.2 微机控制系统的设计

微机控制系统如图2所示.系统采用的MCU是PIC系列微控制器里较新型的高档微控制器PIC18F6585, 其内部配备了42k的Flash程序存储器(ROM)和8k随机存储寄存器(RAM), 串行通讯模块, 3个时钟模块, 10bits AD转换模块。68管脚提供了充分的IO通道, 最高工作频率可达到20 MHz ,每条周期指令执行时间为200 ns .

图2　控制系统框图

系统可以对缝焊的焊接电流、电压的有效值按照0.25 ms 的周期进行检测和数据记录, 计算出焊接的瞬时功率, 焊接结束后对各阶段的这些实测值的平均值进行计算并在LCD 上显示.通过键盘和LCD 组成的人机界面可以方便地设定各种参数, 显示电源的状态等.利用串行通讯接口可以方便地向PC 发送数据, 把测试的结果保存在PC , 也可以接收PC 发送的参数。

MCU 还产生4 路数字控制PWM 信号, 通过驱动电路驱动逆变桥的IGBT , 实现输出调节.此外, 电源还具有4 路启动, 3 路电磁阀驱动, 多路状态输出等I O 接口.电源对过热、过流、网压异常自动监控, 对实测参数值超出限定范围自动报警。

2 软件设计

软件系统流程图如图3 所示.先由键盘输入预置电流波形参数, 焊接过程开始后对实际电流进行采样, 并与给定值进行比较、运算, 根据偏差结果调整PWM 输出对焊接电流进行实时控制, 不同阶段加热脉冲电流给定值依据电流设定确定.同时, 系统在工作过程中, 一旦发生电流异常, 立即关断PWM 输出, 停止焊接, 进入报警状态, 显示故障信息并向上位机输出报警信号。

图3　软件系统流程图

3 焊接电流波形设计

按电流加热的形式, 电阻缝焊分为连续缝焊和断续缝焊.断续缝焊的焊缝实际上是一个个焊点的搭接, 由于热输入小, 在精密件的焊接中是优先采用的方式.设计采用脉冲加热的方式, 在电流脉冲阶段加热形成焊点, 在脉冲间隔阶段滚轮滚过一定距离。脉冲时间、间隔时间和滚轮速度决定焊点搭接的密度, 当然也影响焊缝的平均热输入。缝焊的分流和焊接位置的差异要求焊接电流不同, 要使得整条焊缝均匀, 电流必须相应改变。

电流设计波形如图4 所示.图4 中p 表示加压, I 表示电流, t 表示时间, n 为脉冲个数。

图4　电流设计波形示意图

电源可以设定4 个电流值, I0为初始电流, I1和I2为平稳电流, I3为终止电流, 把整个电流过程分为5个阶段.由I0到I1的上升阶段, 用于弥补初始分流的影响;I1 的平稳电流阶段, 保持稳定的焊接;I1到I2的电流缓降阶段, 可以消除热积累的影响;热平衡后I2的平稳加热阶段, 保持稳定焊缝;I2到I3的下降阶段, 对结束段处于尖角等位置有好处。

各阶段由相应的脉冲数(n)的设定来控制时间, I2平稳加热段则是开放的, 由电源的启动信号决定.脉冲的加热时间和间隔时间由th和tc表示.每个脉冲的加热和冷却时间可分别由thh和tcc设定。thh的设定范围为0～999逆变周期(对4kHz 的逆变频率, 每周期为0.25ms), 这样设计可以提高加热时间调节精度;tcc的设定范围为0～999ms。通过thh和tcc的设置, 可以精确的控制脉冲的加热和冷却时间, 从而达到对焊接热量的精密控制, 实现精密缝焊。

整个焊接过程控制分为电极压下(t1)、预压(t2)、加热波形控制(n1-n4)、保持(t3)和休止(t4)等阶段。

这些设置的参数和波形显示在240×128的LCD屏上, 显示直观, 输入方便。

4 试验结果与分析

通过键盘对电源设定焊接工艺参数, 通过示波器测量实际电流波形, 如图5所示。

图5　实际焊接电流波形

由图5可以看出, 实际电流波形与电流设计波形基本一致.此种波形已经用于金属管壳的封装。图6 为用于贴片晶振的平行缝焊封装的实物照片对于带有角部金属管壳的封装, 在起始、中间和结束处所需的热量是不同的.在焊缝开始和结束处, 由于为角部区域, 散热较差所需热量较小, 中间所需热量较大, 且随焊接时间的延长, 焊件温度上升, 所需的热量也要减小.因此所需的电流波形如图5 所示。实践证明, 用该工艺对金属管壳进行封装, 焊缝均匀、密封性好。

图6　焊接试验试样

图7 为焊接时单个脉冲的电流波形.每个加热脉冲段电流呈脉动直流, 脉动是由占空比和回路电感决定的.电流在开始阶段有一个上升过程, 也是由于输出回路存在电感, 通过控制电流达到一个平稳的值.由于是直流加热, 热量集中, 有利于焊点成形.通过电流给定和时间给定, 可以精细地控制每个脉冲的加热.

图7　单个脉冲波形

根据焊接材料、厚度的不同, 可以通过对参数的调节完成高质量焊接.此外, 也可以改变电流给定得到不同的电流波形.图8 是两种不同波形的测量结果, 其中图8a 适合于环焊缝的焊接, 起始阶段电流逐渐增加消除分流影响, 过程中电流减小补偿热累积, 最后电流增加主要是弥补焊缝搭接时起始段的分流.图8b 可以满足初始段减小电流的情况.波形的灵活性和能量调节的精密性能够满足不同焊接情况的需要。

图8　不同的电流波形

5 结论

微机控制的精密缝焊电源, 逆变频率为4 kHz,控制精度高, 输出脉冲稳定, 并提供完善的电流波形控制方案, 是一种理想的缝焊电源.该电源适用于石英晶体、传感器等金属壳体精密封装和各种精密器件的缝焊。