电阻焊显微焊接及其阶梯波输出脉冲

1、电阻焊显微焊接及其阶梯波输出脉冲杨仕桐1 ,(1. 广州微点焊设备有限公司 , 广州李远波2 ,李光范1510385 ; 2. 广东工业大学 机电工程学院 , 广州 510006)摘 要 : 在电阻焊领域提出了显微焊接的概念并针对显微焊接对焊接电源的要求设计了阶梯波输出脉冲 . 把精细到以 0. 01 v 和 1 ms 二个可调参数的方波输出脉冲 , 设计 为由脉冲上升斜度 1 , 第一阶梯 ( u1 , t1 ) 、第二阶梯 ( u2 , t2 ) 和脉冲下降斜度 2六个可调参数组成的阶梯波输出脉冲 , 其中 1 用以扼制瞬间大电流 , 第一阶梯用作 除漆或预热 , 而第二阶梯用作焊接 ,

2、2 用作后热维持 . 阶梯波的输出 , 符合脱漆焊和显微焊接对焊接电源的要求 , 因而能有效地延长焊头的使用寿命 , 减少飞溅 , 提高焊 接质量 .关键词 : 显微焊接 ;脱漆焊 ;阶梯波脉冲 ;显微焊机杨仕桐中图分类号 : tg434文献标识码 : a文章编号 : 0253 - 360x(2009) 03 - 0001 - 040序言微焊接所需要各项要求的电阻焊点焊机 ,才能称之为显微焊机 .根据显微焊接的概念 ,显微焊接需要综合光机 电方面的技术 ,文中首先在电阻焊领域对显微焊接的核心技术 焊接电源的输出脉冲进行研究 .随着电子信息产业的快速发展 ,对微小工件焊接的需求越来越多 ,但在电

3、阻焊领域 ,目前仅仅把微 型件界定为 :焊件的厚度或直径 0 . 1 mm 的箔材或丝材1 ,至于其对焊接电源的要求及如何实现良好焊接等方面的研究则几乎空白. 根据对脱漆焊的研1显微焊接对输出脉冲的要求究2,被焊漆包线除了十分细小外 ,脱漆焊的操作和分析脱漆焊的焊接过程 ,除漆和焊接是在同一个输出脉冲完成 ,即输出脉冲的前部分为除漆 ,后部 分为焊接 . 在应用以方波输出脉冲的点焊机进行脱漆焊试验时发现 ,当输出脉冲的幅度和宽度不够会出现焊接不牢 ,而此时漆包线上的绝缘漆已经剥脱 ,这个现象说明在同一输出脉冲中 ,除漆和焊接应当 有不同的要求 .在微型元器件的点焊特殊措施中 ,有学者提到 :有

4、时使用二个脉 冲 , 两 脉 冲 大 小 不 一 , 相 隔 一 定 间 隔 ,前者作预热脉冲使焊件缓慢升温3 . 如果从显微焊接的角度考虑 ,由于焊件又薄又细 ,焊接时间极 短 (一般在 10 ms 左右) ,完全有理由提出并相信 : 在一个输出脉冲中 ,同时含有预热和焊接二个功能的输出会更加合理.对焊接电源的输出还有其特殊的要求. 为了有利于对微细工件的点焊展开研究和推广 ,有必要提出显 微焊接及显微焊机的概念 .显微焊接是指以电阻焊对微细工件进行点焊 ,显微焊接必需具备下述的二部分结构 : 一部分是显 微光学结构 ,由于被焊件十分细小 ,加上进行焊接时 必需保证有相当的工作距离 ,导致正

5、常人的视力无法看清 、或者无法长时间看清焊件接头进行直视操 作 ,需要借助体视显微镜或其它光学放大显示装置 才能更好地完成焊接 ; 另一部分是显微焊接的电阻 焊点焊机的结构 ,也可简称显微焊机的结构 ,由于被 焊件十分细小 ,要求点焊机对包括电源类型 、功率大小 、电极和电极夹头的结构 、各项焊接电参数和焊接 力的调控等也要与之相适应 ,特别对输出脉冲的调 节 ,要求更加精确 ,即使以 0 . 01 v 和 1 ms 进行调节 的方波输出脉冲 ,还要进一步调节为阶梯波的脉冲 才能满足显微焊接的要求 . 换言之 ,只有满足了显2显微焊接电源的阶梯波输出脉冲根据显微焊接对输出脉冲的要求 ,应用以恒

6、压控制的电容储能式点焊机 ,在其精细到以 0 . 01 v 和收稿日期 : 2008 - 09 - 18基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50775046)2焊接学报第 30 卷模数转换 (dac) 可以在参考电压范围内输出并保持 一 个 电 压 值 , 电 压 值 精 度 由 dac 转 换 位 数 决 定 ,比如 12 位转换精度为参考电压的 14096 . 由此可以根据阶梯脉冲波形的需要 ,让单片机控制系统按照一定的间隔时间跟随阶梯 脉 冲 波 形 曲 线 的 变 化 ,不断更新输出电压 ,只要更新时间极短 ,就可以 得到所需要的波形. 然后作为给定送到自适应反馈控制模块 (图

7、2) ,电源随之输出一阶梯波脉冲.控制恒流源对电容充电的实现方法 ,根据电容 的伏安特性得到电容电压计算公式为1 ms 二个参数可调的方波输出脉冲的基础上 ,进一步设计了专门应用于脱漆焊和 显 微 焊 接 的 输 出 脉 冲 ,波形外形类似阶梯 ,故称之阶梯波输出脉冲. 阶梯波输出脉冲的波形如图 1 所示 ,在输出脉冲的坐标上 ,由脉冲上升斜度 1 , 第一阶梯 ( u1 , t1 ) 、第二阶梯 ( u2 , t2 ) 和 脉 冲 下 降 斜 度 2 六 个 可 调 参 数 组 成 . 其中 1 用以扼制电容放电的瞬间大电流峰值 ,第一阶梯作预热 ,而在脱漆焊中则作除漆 ,第二阶梯 作焊接.

8、 考虑到脱漆焊和显微焊接形成的熔核十分 细薄 ,所以阶梯波的设置采用脉冲下降斜度 2 作后热维持 ,应当更加适合于显微焊接 .t0 1 1ut= c i ( t) d t= c i ( t ) d t +c ( )- - tt 1 1ci ( t ) d t+ ci ( t) d t= u0(1)00式中 : uc 为电容电压 ; u0 为其初始值 ; i ( t) 为充电电流 ; c 为电容量 ,由式 (1) ,当 u0 = 0 , i ( t) 为恒定值 i时电容电压计算公式为tt 1 1 i ittuc ( t ) = u0 + ci ( t ) d t= cid t = c t | 0

9、 =c00(2)图 1 阶梯波脉冲输出波形fig11 waveform of step2p ul se o utp ut由式 (2) 可得阶梯波的脉冲上升斜度计算公式为k = tg= uc t =i(3)tc即得到上升斜率为 k 的 uc ( t) - t 曲线 ( 即阶梯波上升斜度 1 ) .然后再加上开关管切换不同的电位 ,实现不同 电压幅值的第一阶梯和第二阶梯波形 ,最后就可得 到所需的阶梯脉冲波形 ,实现电路如图 3 所示.3阶梯波输出脉冲的实现显微焊接要求电源输出更加精细 、精确 、稳定 ,为了实现阶梯波的输出脉冲 ,如图 2 所示 ,在以恒压 控制的电容储能式点焊机的电源输出电路中

10、 ,只要 单片机控制系统给自适应反馈控制模块的给定信号 为阶梯波脉冲 ,在恒压控制模式下电源将输出相应 的阶梯波脉冲 . 阶梯波脉冲给定信号在电路上可以采用两种方法来实 现 : 数 模 转 换 dac ; 控 制 恒 流 源 对电容充电及开关电位切换.图 3 控制恒流源对电容充电的实现方法fig13 charging technolo gy with co n sta nt curre nt so urce ca2p acitor阶梯波的上升斜度 1 由r108 和c1 共同决定 ,图 2 恒压控制的电容储能式电源原理图fig12 blo ck dia gra m for cap acitor

11、 store d e nergy spot welding machine ba se d o n co n sta nt volta ge co ntrol而阶梯波的幅度比例 ( 即 u1 u2 ) 由 r1 和 r2 决定 ,t1 t2 比例和脉冲宽度 tw 由单片机程序控制.3第 3 期杨仕桐 ,等 :电阻焊显微焊接及其阶梯波输出脉冲全部流经 sw ( stripping welding ,脱漆与焊接) 焊头尖端并产生电火花 ,用以烧除剥脱绝缘漆 ,该时段为除 漆时段 ,绝缘漆被烧除剥脱后进入焊接时段 ,以上述点焊机对直径 0 . 10 mm 的漆包线进行焊接试验 ,阶梯波参数的设置为

12、:1 = 80, u1 = 0 . 75 v , t1 = 5 ms ,u2 = 1 . 00 v , t2 = 5 ms ,2 = 90; 焊接力为 10 n. 借 助日 本 柯 达 公 司 的 高 速 摄 影 仪 ( fastcam super10 k10 kc) 对焊接的过程进行拍摄 ( 3 kw 的新闻灯作为强光源) ,高速摄像图片如图 4 所示. 图 4a 为 焊接开始时刻状态 ,图 4a d 为脉冲前期电火花除图 3 中 q7 , q8 , q9 , r108 构成典型晶体管镜像恒定电流源 (简称恒流源) , c1 为恒流源的负载 . 在空 闲时 ,单片机控制系统随时等待焊接触发信

13、号 ,此时 con1 = 0 , q4 截止 , con3 = 1 , q5 截止 , con2 = 0 , q6 导通 ,把 c1 电压拉到零 ,故 u3 为零 ,而故 u1 - c 构 成的电压跟随器输出也为零. 与此同时 ,储能电容 也根据设定电压值进行充电.当满足触发条件时 , 在 单 片 机 控 制 下 , con2 =1 , q6 截止 , con3 = 1 , q5 截止 , con1 = 1 , 电压 比 较 器 u1 - b 反相输入端电压为 u3 = 0 ,同相端为设定 的电压 u1 0 ,比较器输出高电压 , q4 导通恒流源电路开始工作 ,以恒定电流 i 对 c1 充电

14、 , c1 两端电压由零开始线性增长 , a 点电压等于 u3 和 c1 两端 电压 ,呈线性增长 ,形成一上升斜度为 1 的电压波形 .当 u3 上 升 到 设 定 的 电 压 u1 时 , con1 = 1 ,con2 = 1 ,con3 = 1 保持不变 ,电压比较器 u1 - b 两 端电压相等 ,比较器输出变为低电位 , u5 也为低电位 , q4 截止 ,恒流源停止工作 , c1 两端电压停止上 升 ;与此同时因为 u5 由高变低 ,在单片机产生中断开始计时 ,并不断与时间设定值 t1 进行比较 ,此时 电压比较器 u1 - b 的作用是使 u3 与 u1 保持一致 , 这样在 a

15、 点就形成了第一阶梯 u1 , t1 .当单片机计时到设定的 t1 时 , a 点电压已经保 持了设定的 t1 ,控制系统保持 con1 = 1 ,con2 = 1 不变 ,设定 con3 = 0 , q5 饱和导通 , a 点电压从 u1 跳 变为设定的 u2 . 单片机继续计时 ,并不断与时间设定值 t2 进行比较 . 当单片机计时到达设定的 t2 时 ,单片机设定 con1 = 0 ,con2 = 0 ,con3 = 1 , q4 , q5 截 止 , q6 导通 ,输出电压 u3 变为零 , a 点的电压也变为零 ,形成了第二阶梯 u2 , t2 .根据上述电容伏安的特性 ,同样 ,控

16、制恒流源对 电容放电即可实现脉冲下降斜度 2 . 这样 ,在 a 点 就形成了一个完整的阶梯波脉冲信号 ,作为给定送 到自适应反馈控制模块 ,电源随之输出一阶梯波脉 冲 ,一个完整的输出脉冲过程结束 ,点焊机转入空闲 状态 ,等待下一个触发的到来 .漆时段 ,从图中可以看到焊头尖端产生电火花 ,焊头下漆包线慢慢的被烧除掉 ,绝缘漆由于表面张力向两边收缩 ,图 4eh 为脉冲过程的后期 ,为电阻焊时 段 ,可以看到焊头尖端电火花明显减弱 ,说明大量电 流流入被焊工件 ,产生电阻热 ,形成熔核 .图 4 阶梯波显微焊接高速摄像图片fig14 high2sp eed camera p hoto gr

17、ap hs during step2p ulse o utp ut如前所 述 , 当 出 现 焊 接 不 牢 时 , 绝 缘 漆 已 被 烧除 ,说明除漆比焊接需要的能量要小. 方波的输出 脉冲没有减少除漆时段的电流量 ,而 sw 焊头尖端 反复产生过大的电火花和电流应力肯定会影响并破 坏 sw 焊头尖端的结构 ,缩短 sw 焊头的使用寿命 , 当 sw 焊 头 尖 端 不 能 产 生 电 火 花 烧 除 绝 缘 漆 的 时候 ,焊接也就无法进行.电容储能式点焊机由于具有瞬间放电峰值高 、 放电电流不可调 ,无法进行电压或电流的反馈控制 , 难以适用于脱漆焊. 而文中提出的恒压控制的电容 储能

18、点焊机阶梯脉冲波输出则可以恰到好处地调节除漆时段的能量 ,减少该时段流经 sw 焊头尖端的 电流 ,减小焊头尖端电流应力 ,不致产生过大的电火4阶梯波输出脉冲的应用脱漆焊把两个平行电极的尖端做成欧姆接触 ,电源采用上述恒压控制电容储能式点焊机 ,设置好 各项合适的焊接参数 ,实现在同一输出脉冲完成除 漆和焊接 . 导通电流 ,由于漆包线上的绝缘层 ,电流4焊接学报第 30 卷花 . 图 5 和图 6 为进行脱漆焊试验时阶梯波和方波的输出电压电流波形图 ,从图中可以看到 ,图 5 阶梯 波 ( 设 定 值 见 上 页 右 栏 5 , 6 行 ) 比 图 6 方 波 ( t =10 ms , u

19、= 1 . 00 v) 的电流峰值减少 50 a 左右 ,说明阶梯波的输出大大降低瞬间电流 ,减少峰值电流对 焊头和工件的冲击.焊点的拉力为测定 10 个焊点的平均值. 焊接漆包线使用的为 sw 焊头 (端面为 0 . 4 mm 0 . 5 mm) . 焊 接裸铜线使用平行间隙焊头. 工件为相同的磷铜基底焊件.表 1 阶梯波与方波输出脉冲焊接试验welding exp erime nt for step2p ul se o utp ut a nd square2p ul se o utp utta ble 1输出波型被焊线 焊头尖 焊点 电极工类型 端火花 光亮度 件粘连飞溅焊点拉力 fn焊头

20、寿命( 次数)方波方波漆包线裸铜线大一般粗糙 光亮 粗糙ii iii iii1 . 471 . 182 . 161 . 862200230081003700ii阶梯波 漆包线阶梯波 裸铜线较小i分析表 1 的测试结果 ,阶梯波的输出脉冲相对于方波输出 ,在脱漆焊中不但能大大延长 sw 焊头 的使用寿命 ,在焊接非漆包线的显微焊接中 ,还能有 效减少电极与工 件 的 粘 连 , 减 少 飞 溅 , 提 高 焊 接 质 量 . 这与以第一阶梯作预热 ,第二阶梯作焊接 ,二个 阶梯之间没有间歇可以减少热量的散失 ,还避免了 焊机的二次触发等因素有关.图 5 阶梯波脉冲电压电流输出waveform s

21、 of welding curre nt a nd volta ge for p ul se o utp utfig15step25结论(1) 阶梯波的输出在脱漆焊和显微焊接中以第一阶梯作脱漆或预热 ,第二阶梯作焊接.(2) 阶梯波的输出 ,在脱漆焊中能大大延长 sw 焊头的使用寿命 ,在焊接非漆包线的显微焊接中 ,能 有效减少飞溅 ,提高焊接质量 .(3) 在显微焊接中如何保证每一次焊接的一致 和可靠等 ,仍有待研究 .参考文献 :图 6 方波脉冲电压电流输出waveform s of welding curre nt a nd volta ge for square2p ul se o u

22、tp utfig161赵熹华 , 冯吉才. 压焊方法及设备 m . 北京 : 机械工业出版社 , 2005 .杨仕桐 , 李远波 , 林健鸿. 脱漆焊 - 电阻焊焊接漆包线新技术j . 焊接学报 , 2008 , 29 (1) : 21 - 25 .yang shitong , li yuanbo , lin jianhong. stripping weld2a new tech2nique of welding enamelled wires by resistance weld j . transactions of the china welding institution , 2008

23、 , 29 (1) : 21 - 25 .朱正行 , 严向明 , 王 敏. 电阻焊技术 m . 北京 : 机械工业出版社 , 2000 .2阶梯波的输出 ,当 1 = 2 = 90, u1 = u2 时 ,该输出波形即为方波 ,因此用同一部点焊机和机头可 以作阶梯波与方波输出的焊接对比试验. 表 1 为对 线径 0 . 10 mm 漆包线和裸铜线分别进行焊接试验的 结果 (焊接工艺参数见上页右栏 5 ,6 行) .表 1 中焊点光亮度以总体焊点目测对比评定 , 分光亮 、一般和粗糙三级 . 焊头尖端火花也以目测 对比评定 . 电极与工件的粘连和飞溅以出现百分率 评定 : i 级为 5 %.3作

24、者简介 : 杨仕桐 ,男 ,1950 年出生 ,高级工程师. 研究方向为显微精密焊接和直接焊接漆包线技术. 发表论文 3 篇. 获专利授权 65 项.email : liyuanbo2007 sohu. com2009 ,vol . 30 ,no . 3transactions of the china welding institutionmain to pic s ,ab s tracts & key wo rd sresistance micro welding and its step2pulse outputyangtechnology on aluminum alloys , la

25、ser welding was put forward.through metallographic analysis on the weld of al25mg20. 3sc , ten2 sile strength and micro2hardness test , technological parameters of la2 ser were studied to improve the performance of the weld. the results show that because of rare sc , weld without air holes and crack

26、s can be obtained in the conditions of pretreatment , reasonable laser pow2 er , scanning velocity and the flow of shielded gas , which the sizes of center grains are 111 as large as that of substrate , micro2hardnessachieves 95 % and tensile strength achieves 88 % of substrates.key words : laser we

27、lding ; aluminum alloys ; metallography ;tensile strengthshitong1 , l i yuanbo2 , l iguangfan1 ( guangzhou micro weldingequipment co . , guangzhou 510385 , china ; 2. guangdong univer2sity of technology , guangzhou 510006 , china) . p1 - 4abstract : the article brings forward the concept of microw2

28、elding in the field of resistance weld and discusses the requirement of welding power source for microwelding. the square pulse , whitch the adjustable minimum2setting scales are voltage amplitude of 0. 01v and pulse duration of 1 ms , is designed to step2pulse . the six ad2justable parameters of th

29、e step2pulse include the pulse slip angle1 , the first and second step voltage amplitude and duration of the step2 pulse ( u1 , t1 , u2 , t2 ) , and the pulse declining angle2 . the func2 tion of the slip angle is to limit instant current impact , the first step2 pulse is to strip or preheat , the s

30、econd is to weld , and the declining angle is to postheat . adapting to the requirement of stripping welding and microwelding for welding power , the step2pulse not only extends the life of welding tips for stripping weld , but also reduces spatter and improves welding quality.key words : microweldi

31、ng ; stripping weld ; step2pulse ; mi2crowelding equipmentsimulation of microstructure during weld solidif ication based onwei yanhong1 ,2 , zhan xiaohong1 ,cellular a utomatondong zhibo2 , ma rui , wang yong2 (1. college of materials sci2 ence and technology , nanjing university of aeronautics and

32、astro2 nautics , nanjing 210016 , china ; 2. the state key laboratory of advanced welding production technology , harbin institute of tech2nology , harbin 150001 , china) . p13 - 16abstract :the cellular automaton ( ca) method has beensuccessfully applied to simulate the microstructure evolution of

33、weld2 ing solidification process , which is a powerful tool for simulating mi2 crostructure transformation of weld joint and helps to understand mi2 crostructure development so as to optimize process parameters and improve the quality of weldment . solute diffusion during grain grow2 ing process in

34、weld solidification is analyzed. a dendritic grain growth model based on ca method is developed to simulate the growths of the equiaxed grain in the center of the melt pool and the columnar grain near to haz , the grain morphologies of them are pre2 sented as the results of primary simulation ,and t

35、he simulation results reproduce the growth of the secondary arms and the tertiary arms as well as competitive growing. the results show that the ca method is one of the effective ways to study and simulate the weld microstruc2 ture .key words : weld solidification ; dendritic grain growth ; nu2meric

36、al simulation ; cellular automatonanalysis on temperature f ield in electrof usion joint f or polyeth2zhengjinyang1 , shi jianfeng1 , guo weican1 ,2 ,ylene pipesding shoubao2 , shi ping2 , wang hui1 (1. institute of chemicalmachinery and process equipment , zhejiang university , hangzhou310027 , china ; 2. zhejiang inspection center of special equip2ment , hangzhou 310020 , china) . p5 - 9abstract : the electrofusion ( ef) technique for joining poly2 ethylene ( pe) pipe is widely used in the gas distribution pipes. the quality of the joint is heavil