电阻焊设备升级与焊接材料应用的延伸

查慧华

(上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海 201209)

电阻焊设备升级与焊接材料应用的延伸

查慧华

(上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海 201209)

在工业生产中电阻焊具有很大的经济价值，因为电阻焊的劳动生产率高，不用附加填充材料和使用焊剂，焊接过程比较容易机械化，很少产生毒性气体，没有紫外线的伤害，可将电阻焊设备安排在生产线上进行作业，所以在航空、航天、电子、汽车、铁道车辆、建筑、电器元件、家用电器以及日用品等各种制造业广泛应用。随着现代科学和电子技术的创新及突破，电阻焊的设备不断升级，应用领域及焊接材料的应用范围也随之不断扩大和成熟。同时由于科学发展的要求，新兴产业的壮大，节能减排的需求及新材料的不断涌现也促进了电阻焊设备的更新及升级。

焊接电源；程序控制；加压系统；焊接材料

0 前言

电阻焊自19世纪70年代发明至今，其应用逐渐成熟，范围不断扩大。特别是现代制造业的需求，以及新能源、新材料、电子技术的涌现，电阻焊从焊接设备到焊接材料都有了飞跃发展。

1 电阻焊设备的演变

1.1 电阻焊电源

按不同焊接电流种类，电阻焊电源可分为单相交流焊机、二次整流焊机、三相低频焊机、三相二次整流焊机、电容储能焊机、中频焊机。

1.1.1 单相交流焊机

将380 V／220 V网路电压通过断续器和级数调级器输入到阻焊变压器的一次侧。根据控制设备决定断续器导通的时刻不同，在阻焊变压器的二次回路中获得一个正弦波的焊接电流。单相交流焊机电源原理如图1所示。

电阻焊是一种加压焊接法，它是在电极压紧材料时直接在材料上通电，利用材料本身的电阻和接触面的集中电阻所产生的热量使材料熔化而进行焊接的一种方法。其中一个显著特点是焊接在短时间内完成，需要用大电流、高电极压力，因此焊机的容量大。对于单相交流(50 Hz)焊机来说，它的局限是：由于焊机功率大，造成供电网路三相严重不平衡的现象；交流感抗的损耗，功率因数低，耗能大；采用大电流焊接，一次电流大而造成一次电压不稳定引起焊接质量不稳定；由于交流焊接电流的过零点，影响了焊接质量。

图1 单相交流焊机电源原理

1.1.2 二次整流焊机

(1)原理。二次整流焊机是在阻焊变压器的二次输出端接入大功率硅整流器，使得二次回路产生直流电流。

(2)特点。二次整流焊机的焊接电流不经过零点，焊接有色金属、耐热钢板等材料时不易产生裂纹，能够保证获得稳定的焊接质量。这种单方向的脉动电流在通过工件时产生的电磁力使电流集中，使焊点成形好，对薄板焊接更有效。缝焊时便于提高焊接速度；闪光焊时闪光稳定，可减少闪光所需电压，从而减小焊机功率。

由于二次回路是直流，焊接回路的尺寸对感抗影响很小，在多点焊时焊点间距可适当加大以减小分流对焊接质量的影响。

直流电流受二次回路内磁性材料影响极小，焊接时在电极臂之间不会产生交流时的电磁交变力，故电极压力稳定，提高了焊接质量的稳定性；在焊钳与阻焊变压器分开的悬挂式点焊机上不必采用粗大的低感抗电缆，因为电缆间没有交流电所产生的冲击力，故可提高电缆的使用寿命。

(3)单相整流焊机。二次回路感抗影响小，电流损耗相应减小，提高了焊机的功率因数，焊接同样的材料与交流焊机相比，耗能降低；一次电流小于交流焊机的一次电流，减少了一次回路电压的变化而引起的焊接质量不稳定。

(4)三相二次整流焊机。三相二次整流焊机焊接电流不过零，电流稳定，提高了焊接质量；避免了供电网路三相不平衡的缺陷。电路原理如图2所示。

图2 三相次级整流焊机电路原理

1.1.3 三相低频焊机

三相低频焊机是一种由特殊的、具有三相一次线圈和单相二次线圈的阻焊变压器构成的焊机。

由于是低频脉动焊接电流，二次回路感抗很小，可降低焊接时所需功率。功率因数可达0.95；三相负荷克服了电网负荷不平衡现象；控制线路设计精确，抗干扰能力强，焊接质量稳定可靠。因此，三相低频焊机大多用于精度要求高、工艺性要求稳定的航空和航天结构件的焊接。三相低频焊机电路原理如图3所示，电流波形如图4所示。

图3 三相低频焊机电路原理

1.1.4 储能焊机

储能焊机是一组电容器，由一个将这些电容器充电到预定电压的电路和一个阻焊变压器组成，电路原理如图5所示。焊机可由单相或三相供电。

图4 三相低频电流波形

储能焊机能在瞬时获得大电流，同时电网电压的波动不产生直接影响，因此储能焊可用于对焊接热能要求严格的场合，例如精密仪器仪表零件、电真空器件、金属细丝和一种金属的焊接。

1.1.5 逆变(中频)焊机

逆变焊机是利用调制脉冲宽度的方法来调节焊接电流，焊接电流接近完全直流。电路原理如图6所示，焊接电流波形如图7所示。

图5 储能焊机电路原理

图6 逆变焊机电路原理

图7 逆变电源焊接电流示意

中频直流省去了交流电阻焊过程的电流过零时间，因此焊接速度更快，热效率高，焊接同样工件焊接电流可降低40%，从而减少了能耗；中频逆变器使所有相位平均分配负荷，避免了地线偏移问题；三相供电平衡，减小了对网路的冲击；中频直流负载能持续保持近100%的功率因数；由于二次回路上的二极管提供直流电流，排除了电感抗；没有交流工频焊接的相位问题，峰值电流较低；逆变器中的电容器能够降低供电系统谐波问题。

中频直流焊机用IGBT做开关，开关频率400～2 000 Hz。大部分的控制器为固定频率控制，通过控制IGBT的开断，中频直流可精确地控制焊接电流，并更快达到目标电流；阻焊变压器总质量和体积与交流阻焊机相比减少到1／5～1／3，在机器人焊接操作的汽车工业中使用优点尤为显著，可减轻机器人负荷，操作灵活；当用于专用焊机时，能使焊机结构更为紧凑。

对于多层板焊接或不同厚度板材的焊接，中频焊机有一定的优势。因为交流电通过零点，每个周波过零点就是一个散热点，对焊接过程产生负面影响：由于有散热过程，所以焊接时间增加，多层板的焊接核心不稳定，特别是不同厚度的板层焊接，厚板由于散热快而核心变小，为了保证薄板的焊接质量，电流不能太大，为了保证厚板焊接质量，薄板有可能被焊穿。而中频焊机焊接电流的波形几乎成直线，没有交流电流过零问题，焊接过程中热量积聚的速度很快，所以厚板之间的焊核大小差异很小，保证了焊接质量。

1.2 电阻焊控制装置

(1)功能：提供信号控制焊接动作；接通和切断焊接电流；控制焊接电流值。

(2)发展：电阻焊机的控制装置从最简单的由行程开关和电磁接触器组成，发展到集成元件组成的控制器，再到微处理器的控制装置。

(3)微处理器控制器的特点：能储存七个或多个焊接程序，能任意编排焊接程序的顺序，有预热、缓升、多次脉冲、缓冷、后热等加热过程，为工艺复杂的高温耐热钢、有色金属、含碳量高的材料、厚板焊接、镀层材料的焊接提供了工艺保证。

能根据焊接环境的变化设置焊接变压器为卷绕铁心或叠片铁心以决定第一个半周是否要延时触发；焊接电流是工频交流还是直流以取得最佳控制和补偿效果；可设置电流上下限、功率因数上下限；能随焊点数逐步递增焊接电流；能监视焊接参数的范围，当超出设定的极限时，发出报警或故障信息；能自诊断控制器发生的各种故障等。提高了焊接质量的可靠性。

可将电阻焊控制器装置与可编逻辑程序控制器进行集合，适用于机器人、专用焊机在焊接生产线上与其他自动装置协调工作。目前在汽车车身制造的自动化焊接中普遍应用。

1.3 电阻焊机械结构1.3.1 焊机的加压系统

(1)气动加压。一般的电阻焊机的加压为气动系统。当工艺要求电极压力较大时，需用的气缸尺寸就很大，动作会减慢，压缩空气的消耗量也增大，这时可采用液压系统。但是由于空气的可压缩型，气动焊机的随动性比液压焊机好。气动焊机多采用活塞式气缸。为了提高加压系统的随动性，在焊接质量要求严格时可采用薄膜式气缸。这是由两块连接在同一活塞杆上的薄膜将气缸隔成四个气室，在不同时间对各个气室提供不同压强的压缩空气，便可得到变化的电极压力。

(2)伺服驱动加压。最新的伺服加压系统是电动机伺服驱动的机械装置。与气动加压相比，能够实现冲击力很小的高速加压，减少焊点表面变形，并且能提高电极寿命；加压和放开时的冲击很小，改善了工作环境的噪声；可以随意设定电极压力且快速精确地达到设定压力，对于有色金属特别是铝合金的焊接提供了工艺保证；在管板焊接过程中，气动加压的瞬时冲击力使管子容易产生裂纹，如果采用伺服加压可以先施加小压力，减少冲击，焊点凝固时减小压力形成完好的焊核；随意设定焊枪行程，提高了焊接效率；焊接压力可调范围大，增加了焊接设备的适用范围。

1.4 人机工程

随着现代制造业的发展，机器人点焊在汽车车身焊接中占主导地位。焊接机器人的应用加快了车身制造柔性化、产量化和自动化的进程。汽车工业引入机器人效益明显，既改善了多品种混流生产的柔性，提高了焊接质量和生产率，又将工人从恶劣的作业环境中解放出来。

2 焊接材料对电阻焊设备的要求

碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属、镀锌钢板等是常见的焊接材料。

2.1 碳钢的焊接

低碳钢是焊接性能良好的材料。在低碳钢的电阻焊中，板厚越大，焊接电流和焊接压力也相应增大，焊机的容量随之增大。对于最普通的单相交流焊机而言，一次电流增大，一次回路电压降增大，从而造成焊接质量不稳定，同时引起供电网路的三相严重不平衡。三相整流焊机就可以避免以上缺陷。新的微机控制器具有自动电网电压补偿功能，能在通电的每个周波里对电网电压和功率因数采样，并与设定值对比得出下一个周波晶闸管的触发角，电网电压补偿一般可达到±15%，还能设定电网电压额定值以达到更合理的补偿范围，以避免由供电电压波动而造成的焊接质量不稳定。同时多次脉冲焊接也是提高厚板碳钢焊接质量的有效方法，微处理控制器的多脉冲加热就能满足这一条件。

2.2 不锈钢的焊接

不锈钢的电阻率高，与软钢相比，采用较低的电流或较短的通电时间即可以焊接。另一方面，不锈钢高温抗拉强度高，因此必须采用高电极压力。

2.3 合金钢的焊接

(1)淬硬合金钢。低碳调质钢、中碳调质钢等点焊时，由于高温停留时间短，冷却速度快，易产生硬化。若焊接接头硬化，即使焊核拉剪强度不下降，在拉开试验中，由于焊核周围硬化的热影响区受到弯曲应力而降低了拉伸强度。通过缓冷处理或回火热处理可以改善热影响区的脆性。微处理焊接控制器能够满足这些焊接工艺要求复杂的材料的焊接质量。

(2)耐热合金钢。耐热合金钢的主要合金元素都显著地提高了钢的淬硬性，铬在较高冷却速度下热影响区的淬硬性更强。焊前预热是防止裂纹的有效措施；焊后热处理不仅能消除焊接残余应力，还能提高接头的综合力学性能。微处理焊接控制器可以满足预热、缓升、多次脉冲、缓冷、后热等加热过程。由于耐热合金钢的高温抗拉强度高，必须采用高电极压力焊接，伺服加压系统的高压力特别适合双相钢等高温耐热钢的焊接。

2.4 镀锌钢板的焊接

镀锌钢板一般分为电镀锌钢板和热浸镀锌钢板。镀锌钢板与低碳钢板相比，合适焊接规范的范围较窄，要得到同样的强度则需要较大的电流。低碳钢焊接时，连续焊接会引起电极头变形，只要变形不严重，焊接强度不会降低。相反，镀锌钢板可以连续焊接的点数非常少，连续焊到一定点数后电极就变形，立即不能形成焊核，需要修磨电极后才能继续焊接。微处理器焊接控制器有电流递增器，在大批量生产线上，焊接到一定点数后，分级按不同斜率增加热量，保持电流密度恒定以保证焊点强度。

2.5 有色金属及其合金的焊接

铝及其合金是较软的材料，可采用较低的电极压力。但是由于电阻系数低、导热性好，通电时间较短，要采用大电流、短时间的焊接规范。与普通低碳钢焊接相比，要求通电时间准确，同时焊机加压系统的随动性好。铝合金焊接时要采用大电流，故焊机容量大。三相整流焊机、三相低频焊机、储能焊机应用而生。在焊接硬铝时，焊核内容易产生气孔和裂纹，如果采用电流缓降和顶锻压力则可防止这些缺陷。三相低频焊机通电时会形成电流波形陡度，微处理控制器和伺服焊枪能够满足这些条件。次级整流焊机与交流焊机相比阻抗可以忽略不计，二次电压可降低，焊机容量可减小。

3 电阻焊在制造业中的应用案例

目前电阻焊在我国的汽车、机车、飞机、工具、锅炉、电器、电机、电子制造等许多工业及建筑行业广泛应用。

3.1 三相次级整流缝焊机焊接高温合金

3.1.1 焊接材料及规格

高温合金GH3030，GH3128，GH1140，GH188；规格δ2+δ2，δ1+δ1，δ0.5+δ0.5。

不锈钢1Cr18Ni9Ti，1Cr11Ni2W2MoV；规格δ2+ δ2，δ1+δ1，δ1+δ0.5，δ1+δ0.5。

3.1.2 电源

三相次级整流供电380V／50Hz；额定功率160kVA (负载持续率50%)；多级调压；最大二次电流50000A；焊机具有恒电流、恒电压控制。

3.1.3 加压机构

(1)气动加压系统(采用双作用薄膜式气缸)；六种压力选择。

(2)加压0.55 MPa时，锻压压力20 000 N。

(3)焊机加压系统随动性好(低惯性设计)，导向机构质量轻，摩擦力小。

(4)加压机构灵活、平稳、实现PC控制；在焊接过程中压力保持稳定。焊机在规定气压范围内和额定焊接速度下工作时电极压力的波动不超过±8%，上电极下降时应平稳无冲击现象。

(5)焊机的电极臂有足够的刚性，当施加最大额定压力时，臂长1 000 mm，挠度不超过1.0 mm。

(6)焊接速度5 m／h，采用步进式缝焊，无级调速，步进速度调节范围0.08～1 m／min。

(6)工作气压范围0.05～0.65 MPa。(7)焊机上配备储气罐。

3.1.4 电极

(1)材料：采用铍钴铜或镍铍铜合金，符合HB5420 -89要求。

(2)规格：焊轮厚度16mm；上焊轮直径φ 280 mm、φ 135 mm；下焊轮直径φ 280 mm、φ 135 mm。

(3)工作端面形状：球面或平面(单面倒角)。

(4)滚轮与电极臂的配合保证接触可靠，便于拆卸。

(5)下臂能垂直调节，调节量200 mm。

3.1.5 控制系统(WS-2000)

(1)焊机能提供恒压、附加锻压力(阶形压力)、附加锻压和锻压力(马鞍形压力)加压方式；能提供主电流脉冲，具有缓升、缓降电流波形；具有故障诊断和显示功能。控制系统采用16位微处理器技术编程器，可以程控焊接过程中的焊接压力。

(2)对焊接过程进行恒电流控制和监控。

监控功能：控制器能储存最后16个焊点的所有焊接相关参数(焊接电流、电压、周波数等)，并能通过手编程序器调出显示；与控制器接口，可提供更高一级的监控，数据编辑等功能；用数据卡可以储存16个焊接规范程序，并可快速复制；还能储存最后2 000个焊点的所有参数，包括电流、电压、导通角、焊接周波、热量以及实际参数与设定误差值等，并能通过打印机输出，通过PC机编程。

3.2 三相低频铝合金电阻点焊机

3.2.1 焊接材料及规格

铝合金LF5，规格δ3+δ3+δ2、δ1+δ1；铝合金LF6，规格δ2+δ1、δ0.8+δ0.8；高温合金GH3030、GH3128、GH1140，规格δ3.5+δ3.5、δ2+δ2、δ0.5+ δ0.5；不锈钢1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9，规格δ3.5+δ3.5、δ2+δ2、δ0.5+δ0.5。

3.2.2 电源

三相低频供电方式380V／50Hz；额定功率300kVA (负载持续率50%)；多级调压；最大二次电流80000A；焊机具有电网电压自动补偿模式，网路电压波动±15%，输出电流波动±2%。

3.2.3 加压机构

(1)气动加压系统(采用双作用薄膜式气缸)，六种压力选择。

(2)加压0.55 MPa时，锻压压力34 000 N。

(3)加压系统随动性好(低惯性设计)，导向机构质量轻，摩擦力小。

(4)加压机构灵活、平稳、实现PC控制；在焊接过程中压力保持稳定，焊机在规定气压范围内和额定焊接速度下工作时电极压力的波动不超过±8%，上电极下降时应平稳无冲击现象。

(5)焊机的电极臂有足够的刚性，当施加最大额定压力时，臂长1 000 mm时下电极臂加支撑离电极杆距离不低于300 mm时，挠度不超过1.2 mm。

(6)焊接速度：大于等于40点／min。

(7)工作气压范围0.05～0.65 MPa。

(8)焊机上配备储气罐。

3.2.4 电极

(1)材料：采用铬锆铜或锆铌铜合金，导电率大于等于80 IACS，布氏硬度大于等于110 kgf／mm2。

(2)规格尺寸：φ 16 mm，φ 20 mm，φ 25 mm。

(3)工作端面形状：球面。

(4)电极卡头锥孔配合应保证电气接触可靠，不漏水，同时便于拆卸。配合精度4～6级。当电极压力在1 500 kgf以下，且电极直径小于等于25 mm时，锥度可选1∶10；超过时可选1∶5。

(5)下臂能垂直调节，调节量大于等于150 mm。

3.2.5 控制系统(WS-2000)

(1)焊机能提供恒压、附加锻压力(阶形压力)、附加锻压和锻压力(马鞍形压力)加压方式，能提供主电流脉冲，具有缓升、缓降电流波形，具有故障诊断和显示功能。控制系统采用16位微处理器技术编程器，可以程控焊接过程中的焊接压力。

(2)对焊接过程进行恒电流控制和监控。

监控功能：控制器能储存最后16个焊点的所有焊接相关参数(焊接电流、电压、周波数等)，并能通过手编程序器调出显示；与控制器接口，可提供更高一级的监控，数据编辑等功能；用数据卡可以储存16个焊接规范程序，并可快速复制；还能储存最后2 000个焊点的所有参数，包括电流、电压、导通角、焊接周波、热量以及实际参数与设定误差值等，并能通过打印机输出，通过PC机编程。

3.3 中频伺服焊机焊接汽车零件

3.3.1 焊接材料及规格

高强钢GMW3032，规格δ0.7+δ0.7、δ0.7+δ2.25、δ0.7+δ2.25+δ0.7；多相超高强度钢GMW3399，规格δ1.2+δ0.7；热成型钢GMW14400+高强钢GMW3032，规格δ1.5+δ1.4、δ1.5+δ3+δ1.6。

3.3.2 电源

中频直流供电500V／1000Hz；额定功率100kVA (负载持续率50%)。

3.3.3 加压机构

伺服机器人焊钳安装在机器人上，通过机器人主体控制盘的第七轴来实现与其他六轴的同步控制。该焊钳采用交流伺服马达(功率1～2.5 kW)驱动，因此可以随意设定电极加压力和行程。焊钳示意及其参数如表1所示。

3.3.4 控制系统(MedWeld-6000)

MedWeld-6000控制箱中的逆变器提供触发脉冲，中频变压器提供焊接电流。

通信模式：离散式集合(DIO)和ETHERNET通信口、或离散式集合(DIO)和DeviceNet通信口。这些通信集合方式为焊接机器人和生产自动化连接提供了完整的功能和编程能力。

该控制箱具有自动电压和电流补偿功能。自动电压补偿方法保持一个要求的一次电压，自动电流补偿保持一个恒定的二次电流。

该控制箱能按应用需要执行焊接、延时、电流上下坡、脉冲或时间功能。其他功能项的作用是控制输出和监视输入的状态。

表1 焊钳参数

焊接设备的不断更新与新材料在装备制造业中的应用是相辅相成的关系，两者各自的发展与约束都是促进向彼此更高层次发展的动因。

Update of resistence welding machine and extension of welding material application

ZHA Hui-hua
(Shanghai Superior Die Technology Corporation Ltd.，，Shanghai 201209，China)

In industrial production of resistance welding may have great economic value，for resistance welding with a high productivity，don't fill the additional materials and uses of welding.Soldering process is fairly easy to mechanization.Seldom have a harmful gases.No uv damage.The resistance welding equipment works in the production line，so in aviation，electronics industry，automobile，raliway，construction，electrical components，household appliances，commodity industries are widely used.With the development of scientific and technological innovations and breakthroughs，resistance welding equipment upgrading.Applied field and welded the scope of application also continued to expand and mature.At the same time as the scientific development of growth of emerging industries，energy reduction of demand and new materials are constantly emerging the resistance of welding equipment and upgrades.

welding power source；program control；pressurization system；welding material

TG438.2

C

1001-2303(2011)07-0022-07

2011-03-09；

2011-07-05

查慧华(1966—)，女，安徽安宁人，工程师，学士，主要从事焊接工作。