短周期螺柱焊的电源和控制系统介绍

1.短周期螺柱焊设备

由于短周期螺柱焊容易实现自动化，所以成套设备一般包括电源、控制装置、送料机和焊枪等，其中电源和控制装置是装在同一箱体内的。

（1）电源及其控制 短周期螺柱焊的电源可以是整流器、电容器组，也可以是逆变器。一般情况下是两个电源并联分别为先导电弧及焊接电弧供电。只有逆变器作为电源时才可用同一电源，调制为不同大小的电流分别为先导电弧和焊接电弧供电。

1）整流式短周期螺柱焊机的电源与控制。图5-157所示的是用于汽车制造的由两个整流器组成的螺柱焊机电气原理图，图中UR1整流器提供焊接电流I_W，UR2为半控桥，其导通角不可调，给螺栓提供先导电流I_P。UR1输入线电压36V，UR2输入线电压为32V，当产生大电流后，这个电压差会使UR2自然关断，I_P不再输出。其控制系统可以使电源实现如图5-160所示的波形和时序。

图5-156 将直径6mm螺柱焊到厚度为1.6mm钢板上时，三种电容放电电流及放电时间的差异

图5-157 两个整流器组成的螺柱焊机电气原理图

此电源的缺点是开环控制，对网络波动无法补偿，由于工频整流，频率响应慢，不具备完整的监控系统，无法在螺柱下落过程中，对未浸入熔池前发生断电所造成的接头质量下降进行补偿。但其控制简单，成本低，基本上能满足如汽车等产品大规模生产的要求。这种国产焊机的主要技术参数如下。

焊接电流I_W：200～1000A；

焊接电流时间T_W：5～100ms；

先导电流I_P：40A；

先导电流时间T_P：5～100ms；

可焊螺柱直径d：3～8mm。

2）逆变式短周期螺柱焊机的电源与控制。图5-158是国产逆变式短周期螺柱焊机电气原理图。该机采用单端正激逆变器作为电源，IGBT为其开关元件，由微机控制，液晶显示，也可输出如图5-160所示的波形和时序。先导电流I_P和焊接电流I_W的转换靠脉宽控制（PWM）技术及采用旁路开关短接电抗器L的方法来实现。

该机代表了当前国内先进水平的螺柱焊接设备，它动特性好，有完备的监控系统，能可靠地保证“有电顶锻阶段”T_d的到位，并有焊机故障信息提示。该机已在汽车制造中被广泛采用。

焊机的主要技术参数如下。

主机输入：3×380V，50Hz；

压缩空气：3～6MPa；

输出：焊接电流I_W：200～1000A；

焊接电流时间T_W：6～100ms；

先导电流I_P：30～100A；

先导电流时间T_P：30～100ms；

可焊螺柱直径d：3～10mm。

（2）焊枪和自动送材料器 短周期螺柱焊用的焊枪有两种，手动焊枪和半自动（或自动）焊枪。焊枪的基本结构与套圈（瓷环）保护螺柱焊所用的相似，也是由螺柱夹持机构、提升机构和弹簧压钉机构组成的。对于手动焊枪需要装有接近开关，以保证只有当螺柱与工件可靠接触时才能提取起动电压信号。半自动或自动焊枪是在手动焊枪的基础上多了一个装钉用的气缸。当螺柱在送料机中被压缩空气通过送料软管吹送到焊枪落钉槽中后，气缸活塞衔铁将螺柱推入导电夹中。此外，还有气路、送钉开关和送钉锁定开关等。

在进行半自动和自动焊时，需配置螺柱自动送料机，通常由滚筒装料器和分选器等组成。焊接时，滚筒旋转将螺柱送入滑动导轨，经分选器，由专供送料用的分离机构逐个送材料，实现装载循环。根据螺柱直径的不同应配用不同的送料软管、软管离合器、导轨和分选器。

图5-159是典型的按主机+送料机+半自动焊枪+手动焊机方式配套的逆变式短周期螺柱焊机及其外部接线图。

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图5-158 逆变式短周期螺柱焊机电气原理

图5-159 逆变式短周期螺柱焊机配套设备及其外部接线图

（3）螺柱的形状和尺寸 表5-207是短周期螺柱的形状和系列尺寸（国际标准化组织的设计标准）。

2.短周期螺柱焊工艺

（1）工艺特点

1）焊接时间比套圈（瓷环）保护螺柱焊缩短十分之一到几十分之一，焊接时周围的空气还来不及侵入焊接区，焊接即已完成，故可以不采用瓷环或气体进行保护。

2）螺柱端面一般设计成外凸锥面，巨有比螺柱直径略大的肩（法兰），前者是为了焊时电弧易发生在端部中心，后者是为了增加接合面积使接头具有较大的承载能力。

3）螺柱直径d与被焊工件壁厚δ之比（d/δ）可达8～10，即比瓷环保护螺柱焊法能焊更薄的板壁，最薄达0.6mm。

4）由于焊接开始前有小电流电弧的清扫工件待焊表面，故可以焊接有涂层的金属板，如镀锌薄板等。

5）焊接电流经过波形调制，其幅值和时间可调，因而适用性广，并容易实现自动化焊接。

（2）焊接过程 短周期拉弧式螺柱焊和保护套圈（瓷环）拉弧螺柱焊一样，焊接时要有：短接—提升—焊接—顶锻等操作过程，区别在于焊接时对焊接电流进行了波形控制，使焊接周期大为缩短（小于100ms），从而不必再用瓷环或气体保护。图5-160为完成一个螺柱焊接的工作循环图。

图5-160的上方是焊接过程的示意图，下方是对应的焊接时序。大体上分为如下步骤：

1）螺柱落下与工件短路。起动焊枪开关，螺柱与工件接触通电，构成短路。

2）螺柱提升，引燃小电弧（拉弧）。此时电流很小，称先导电流I_P。利用小电弧清扫螺柱端面和工件表面，也起到对待焊面预热的作用。

3）自动接通大电流，焊接电弧燃烧。此大电流称焊接电流I_W，使螺柱与工件待接面进一步加热达到熔化温度。

图5-160 短周期螺柱焊焊接循环图

I_P—先导电流（A） I_W—焊接电流（A）

U_A—电弧电压（V） ΔS—螺柱位移（mm）

T_g—焊枪延时时间（ms） T_s—短路电流时间（ms）

T_P—先导电流时间（ms） T_W—焊接电流时间（ms）

T_L—落钉时间（ms） T_d—有电顶锻时间（ms）

4）螺柱落下浸入熔池（落钉）。焊枪电磁铁释放，螺柱落下与工件短路，电弧熄灭。

5）有电顶锻，形成接头。此时有短路电流，靠焊枪内的弹簧压力使螺柱向工件挤压，完成焊接。

（3）焊接参数 通常主要焊接参数控制在如下范围：拉弧时螺柱提升高度ΔS为0.8～1.5mm，一般取1.2mm。先导电流I_P（小电弧的电流）为30～100A，一般取40A左右；而焊接电流I_W比先导电流大很多，取决于螺柱直径，通常按I_W=100d（单位为A）确定，d为螺柱焊端直径（单位为mm）；先导电流时间T_P（即小电弧燃弧时间）在40～100ms调节；焊接时间T_W（即通大电流时间）为5～100ms，一般取20ms，其中包括有电顶锻时间T_d（5～10ms）；焊接一个周期总时间一般不超过100ms。比瓷环保护螺柱焊所需总时间（100～2000ms）短，故被称为短周期螺柱焊。