电容储能式螺柱焊机的研制

北京工业大学

硕士学位论文

电容储能式螺柱焊机的研制

姓名：欧特伦

申请学位级别：硕士

专业：机械电子工程

指导教师：殷树言;刘嘉

20070501

摘要

摘要

众所周知，电弧螺柱焊作为焊接学科的一个分支是各国工业领域广泛应用的

加工和装配方法，对于板材的螺柱焊接相当方便实用，而电容储能式螺柱焊在薄

板焊接方面更是得到突出应用。

电容放电螺柱焊是螺柱焊接中的一个大类，其特点是焊接过程短（，Ｊ、于５ｍｓ），

热影响区小，生产率高，焊缝质量好，适用于直径小于等于１０ｍｍ的碳钢、不锈

钢、铝、铜等材料的螺柱焊接。这种焊接方法依靠储能电容器提供能量，通过焊

枪操作，将特殊设计的螺钉在极短的时间内焊接在板材上。

随着数字技术和现代通信技术的迅速发展，为数字化技术在焊接领域的逐步

渗透和提高焊接设备的技术含量提供了广泛的应用前景。而数字化的实现更使得

弧焊电源的控制精度得到显著的提高。采用Ｃ１６７作为核一Ｉｉ，控制芯片，该芯片具

有较强的事件管理和数据处理能力，同时片上还集成了丰富的外设资源，能够提

高系统的集成度、抗干扰性能，并且降低成本。

逆变技术的应用使得电容储能焊接电源能更趋向于小型化和便携式。逆变电

源采用ｄ、ＭＯＳ管或ＩＧＢＴ等开关元件能达到较高的逆变频率，并且功率因数可达

９５％以上，节能和节材。

经实验结果证明，该焊机输出特性满足技术指标的要求，操作方便，焊接过

程中不出现误动作，焊接成功率较高，焊接性能稳定。

关键词螺柱焊；逆变：电容储能；Ｃ１６７单片机

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独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研

究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他

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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名：敌特彳龟／日期：竺］：三：望

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签名：鼹煎！垒导师签名：日期：泗１．ｆ，ｑ

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图１－１电弧螺柱焊的分类

Ｆｉｇｕｒｅ１－１Ｓｏｒｔｓｏｆａｒｃｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇ

由文献［１５～２１］可知，普通电弧螺柱焊由于具有焊接熔深大、接头强度高，

对待焊工件的表面要求低等特点，主要应用于建筑、桥梁、造船及一般的重型

机器制造业。焊接材料通常为碳钢和不锈钢等黑色金属，螺柱的尺寸通常在直径

１０ｍｍ以上，而且螺柱与工件的径厚比不能太大。普通电弧螺柱焊的焊接时间一

般在０．２—２Ｓ，焊接时间相对比较长，熔化金属量较多，一般熔深可以达到母

材金属厚度的１／４。对于薄板的螺柱焊接，普通电弧螺柱焊显然存在烧损严重和

热变形的问题。

为了解决薄板的螺柱焊接问题，电容储能电弧螺柱焊应运而生。这种方法

类似于储能焊，焊接过程的特点是时间短（约１０１０ｍｓ），因而电流极大。短暂

的加热时间使母材上的焊接熔池较浅，因而适合薄板母材的焊接，可以焊接０．２５

ｍｍ厚的母材而不致烧穿。相对普通电弧螺柱焊中螺柱与母材的径厚比不超过３：ｌ，

电容储能电弧螺柱焊可以成功焊接径厚比为８：１的螺柱。而且由于可以采用小体

积、高性能的电子元器件，更便于电路的集成化，似的电容出能电弧螺柱焊机可

以做到轻便、小巧，更方便使用。其中尖端放电式的方法更接近于一般的储能式

焊接工艺，时间更短（小于３ｍｓ），适用范围包括矽３～１０ｒａｍ的黑色金属和多种有

色金属，是本文重点讨论的对象。它又分为预接触式和预留间隙式两种方法，具

体区别如图１－２：

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第１章绪论

ａｂ

图１－２ａ）预接触式焊接过程ｂ）预留间隙式焊接过程

Ｆｉｇｕｒｅ１－２ａ）Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｎｔａｃｔｓｔｕｄｗｅｌｄｉｎｇｂ）Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｌｅａｒａｎｃｅｓｔｕｄｗｅｌｄ．ｍｇ１．３电容储能式螺柱焊机的发展现状及趋势

由文献［２２～４５］可知，当前电容储能式螺柱焊机的应用十分广泛，市场竞争也相当的激烈，形成一个国外与国内、高端与低端并存的局面。国外以ＯＢＯ、ＴＡＹＬＯＲ等知名品牌为代表的各系列，国内则在近几年出现大批电容储能式螺柱焊机的制造厂商，其中以成都斯达特的ＲＳＲ系列较早，品种也比较齐全。

从电源电路上看，电容储能式螺柱焊机的发展趋势是从传统的电源电路到当前最流行的逆变式电源电路。见图１．３：

图１－３传统式电容储能螺柱焊机电源原理框图

Ｆｉｇｕｒｅ１－３Ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃａｐａｃｉｔｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｕｄｗｅｌｄｅｒ’ｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ主电路变压器Ｔ１起隔离和变换电压的作用。随着储能电容器制作水平和材料质量的提高，其容量体积比增大，隔离变压器Ｔｌ在焊接电源中占的体积、质量增加，所以采用此种设计的焊机～般体积较大，成本偏高。

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图１４逆变式电容储能螺柱焊机电源原理框图

Ｆｉｇｕｒｅ１－４Ｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｖｅｒｔｃａｐａｃｉｔｏｒｄｉｓｃｈａｒｇｅｓｔｕｄｗｅｌｄｅｒ’ｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ

逆变式电容储能螺柱焊机采用逆变技术，图１＿４便是其中一种应用框图，采

用３８４５集成电路等控制芯片来控制逆变过程，其控制电路如图１．５。

图１－５逆变控制电路原理图

Ｆｉｇｕｒｅ１－５Ｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｉｎｖｅｒｔｃｏｎｔｒｏｌ

引入逆变技术研制新型逆变电容放电螺柱焊机可有效降低焊接电源重量，缩

小体积，减少制作成本。

从控制方面来看，电容储能式螺柱焊机的控制方向应是从分立元件的控制上

升到微机控制。早期和低端的电容储能式螺柱焊机大量采用模拟技术，对电容的

充放电量和焊接过程很难做到精确控制，且随着元器件的老化，控制的精度更难

以保证。

以一款较老电容储能式焊机ＲＳＲ－１２５０为例，见图卜６：

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