基于高频逆变直流电阻焊电源用于铝点焊的系统及方法与流程

本发明涉及电阻焊领域，具体涉及一种基于高频逆变直流电阻焊电源用于铝点焊的系统及方法。

背景技术：

当今社会随着人们对环保和节能减排的需求提高，汽车轻量化作为实现降低油耗和气体排放量最有效直接的方法，已经成为了世界汽车制造的潮流。铝合金以其突出的性能和优势在轻量化材料中大放光彩，被众多厂家所青睐并应用于部分车型中。电阻点焊作为汽车车身连接工艺之一，以其质量可靠，效率高，经济性以及易于利用机器人进行自动化焊接等特点而被广泛应用。但是由于铝合金本身具有高导电率，高导热率，熔点低，易氧化等物理化学特性，使铝合金电阻点焊相较于传统的钢材电阻点焊有较大区别，主要表现为需要短的焊接时间，大的焊接电流，高的焊接压力等，虽然国内外从不同方向对此进行了相关研究，但大部分仍然停留在实验室阶段，进入实用阶段的铝点焊技术效果也不尽理想，主要问题有变压器体积大，焊钳由于要承受很大压力对焊钳的载荷结构设计提出了更高的要求，控制器或焊接电源功率大、成本高，电极修磨频率高，需要专用的电极带或电极结构等。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的提出的一种基于高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊的方法和系统，逆变频率为10KHz，根据采集次级电流输出波形可以实现每秒采集20000组数据点，提高了系统的采集速率，可以更加精确的控制焊接电流。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于高频逆变直流电阻焊电源用于铝点焊的系统，其特征在于：包括电阻焊电源、高频变压器、高频次级整流单元、电极单元、压力监控单元、电压反馈单元、电流反馈单元；所述压力监控单元与主控板连接，实现对压力的检测反馈以及控制焊钳伺服电机对工件按照设定压力进行加压；所述主控板与压力监控单元、电压反馈单元、电流反馈单元连接，实现对焊接压力、次级电压、次级电流的采集。

进一步，所述电阻焊电源包括主控板、驱动板、功率单元。

进一步，所述功率单元包括初级整流模块、滤波电容、IGBT。

进一步，所述主控板上的MCU型号型号为STM32F103，实现对次级信号采集时间的精确控制。

进一步，所述电极单元的上下电极采用铬锆铜材质，电极直径d1为12-18mm的电极帽，电极端面为半径R1大于40mm的圆弧。

进一步，所述功率单元10的IGBT和高频次级整流单元是与高频逆变频率相适应的高频IGBT模块和高频整流模块。

进一步，所述电阻焊电源为高频逆变电阻焊电源，驱动板为高频IGBT驱动板，主控板与驱动板连接实现控制驱动板对IGBT进行高频率的开关控制，逆变频率达到10KHz。

进一步，所述高频变压器采用中间抽头形式，铁芯采用铁氧体材料；所述电流反馈单元采用环形罗氏线圈，套在所述高频次级整流单元的输出端。

一种基于高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊方法，其特征在于：包括以下步骤

(1)根据次级电流波动曲线，在一个焊接周期，焊接电流会经过2次焊接电流的有效值，将电流过有效值时刻的信号接入主控板中断引脚中；

(2)在过有效值的终端时刻对压力监控单元、电压反馈单元、电流反馈单元的输出信号进行采样；

(3)由采集的次级电压和次级电流根据欧姆定律计算次级电阻，根据次级电阻与设定电阻曲线比较的差值调整输出电流电阻权重值ε1；

(4)根据采集的次级压力数据与设定压力比较的差值调整输出电流压力权重值ε2；

(5)将电阻权重值ε1乘以电阻调整系数再加上将压力权重值ε2乘以电阻调整系数的结果，得到电流调整系数

(6)根据电流调整系数通过PID控制策略，在主控板(8)上通过调节PWM组合波形从而控制驱动板9输出的脉宽调制PWM波形进行变化调整，实现对焊接电流输出大小的高频精确控制。

本发明的优点在于：

1、电流调整频率更快，调整更精细

次级电流输出波形是一个脉动波形如图2所示，脉动周期与逆变周期保持一致，次级电流和电压在脉动波形有效值时进行采集，从波形可以看出每个周期可以采集2次，在有效值时刻进行采集可以保证，每次数据采集时刻的一致性和准确定，逆变中频焊机采集频率受限于逆变频率，通常为1KHz或2KHz，，采用本发明提出的一种基于高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊的方法和系统，逆变频率为10KHz，根据采集次级电流输出波形可以实现每秒采集20000组数据点，提高了系统的采集速率，可以更加精确的控制焊接电流。

2、变压器可以更轻更小

根据变压器的感应电势公式：式中：E--感应电势有效值f--频率N--匝数--主磁通最大值；根据公式可以分析出在感应电势有效值一定时，当频率高时，匝数、主磁通都可以少，当然铁芯也就可以小，自然变压器体积就可以做小，重量也可以降低。由此可见，基于高频直流的电阻焊系统中在相同的容量下变压器会比普通逆变中频焊机体积更小，重量更轻，更加适合机器人焊接。

3、焊接电流更小，焊接电源体积更小，焊接压力更小

铝合金导热系数高、比热容大，现有的铝合金点焊工艺是通过大电流、大压力来实现的，电流一般需要40～100KA，由此对电阻焊电源的控制和冷却提出了更高的要求，需要采用大功率的整流和IGBT模块，造成控制系统设计成本高昂，体积也更大，采用本发明提出的方法，在焊接电流为35KA，压力为4-6KN的条件下即可实现良好焊接，有效降低了电阻焊电源的功率和体积，降低了焊钳的有效载荷，简化了焊钳设计。

4、可以用常规形状电极实现铝点焊并且可以减小电极修磨频率

铝合金散热快且铝合金焊接融化后的金属会与铜电极的铜合金发生电化学反应，导致电极粘连，影响焊接质量，通常40-70点就需要进行一次修磨；此外铝合金金属表面容易形成氧化膜，该氧化膜电阻率大、熔点高，因此铝合金点焊工艺对焊接电极有比较高的要求，本发明提出的一种基于高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊的方法和系统，该系统在电极端输出的是高频的脉动直流，可以通过该高频电流在氧化物上形成一种圆锥形的脉冲束，该脉冲束可以用快速且平稳的方式去除铝合金表面的氧化膜，并优先在工件接触面形成能量集中区，形成熔核，因此电极端面采用普通端面平电极帽即可，并且可以提高电极修磨的次数间隔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1高频逆变的直流电阻焊电源铝点焊系统框图

图2逆变直流电阻焊电源次级电流波形图

图3高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊的方法流程图

图4电极截面图

其中：电阻焊电源1，高频变压器2，高频次级整流单元3，电极单元4，压力监控单元5，电压反馈单元6，电流反馈单元7；其中电阻焊电源1包括主控板8，驱动板9，功率单元10

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

一种基于高频逆变直流电阻焊电源用于铝点焊的系统，该系统包括电阻焊电源1，高频变压器2，高频次级整流单元3，电极单元4，压力监控单元5，电压反馈单元6，电流反馈单元7；其中电阻焊电源1包括主控板8，驱动板9，功率单元10；功率单元10包括初级整流模块、滤波电容、IGBT等器件；所述压力监控单元与主控板连接，实现对压力的检测反馈以及控制焊钳伺服电机对工件按照设定压力进行加压；所述主控板与压力监控单元、电压反馈单元、电流反馈单元连接，实现对焊接压力、次级电压、次级电流的采集。

所述电阻焊电源1为高频逆变电阻焊电源，驱动板9为高频IGBT驱动板，主控板8与驱动板9连接实现控制驱动板9对IGBT进行高频率的开关控制，逆变频率达到10KHz；该系统工作于逆变高频段，因此高频变压器2，高频次级整流单元3都是针对高频段进行的设计和选型；

所述主控板8与压力监控单元5，电压反馈单元6，电流反馈单元7连接，实现对焊接压力、次级电压、次级电流的采集，采样频率为高频逆变频率的2倍，如当逆变频率为10KHz时每秒可采集20000个数据点，从而实现对焊接过程更为精细化的控制。

所述功率单元10的IGBT和高频次级整流单元3是与高频逆变频率相适应的高频IGBT模块和高频整流模块；

所述高频变压器2采用中间抽头形式，如图1次级电压器2所示，铁芯采用铁氧体材料；所述电流反馈单元7采用环形罗氏线圈，套在所述高频次级整流单元3的输出端，即输出回路的正极或负极端；

主板版8控制驱动板9通过输出脉宽调制PWM波对IGBT组件进行开关控制，逆变频率不是1KHz的中频，而是处于逆变高频段，可以达到10KHz；

进一步，所述主控板上MCU型号为STM32F103，实现对次级信号采集时间的精确控制。

进一步，所述电极单元的上下电极采用铬锆铜材质，电极直径d1为12-18mm的电极帽，电极端面为半径R1大于40mm的圆弧。

进一步，所述功率单元10的IGBT和高频次级整流单元是与高频逆变频率相适应的高频IGBT模块和高频整流模块。

进一步，所述电阻焊电源为高频逆变电阻焊电源，驱动板为高频IGBT驱动板，主控板与驱动板连接实现控制驱动板对IGBT进行高频率的开关控制，逆变频率达到10KHz。

进一步，所述高频变压器采用中间抽头形式，铁芯采用铁氧体材料；所述电流反馈单元采用环形罗氏线圈，套在所述高频次级整流单元的输出端。

一种基于高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊方法，

1、根据图2次级电流波动曲线，在一个焊接周期，焊接电流会经过2次焊接电流的有效值，将电流过有效值时刻的信号接入主控板MCU中断引脚中，MCU型号为STM32F103，实现对次级信号采集时间的精确控制；

2、在过有效值的终端时刻对压力监控单元5、电压反馈单元6、电流反馈单元7的输出信号进行采样，如t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7，t8，t9，t10等时刻，采样频率可以达到20KHz，即每秒采集20000组数据点；

3、由采集的次级电压和次级电流根据欧姆定律计算次级电阻，根据次级电阻与设定电阻曲线比较的差值调整输出电流电阻权重值ε1；

4、根据采集的次级压力数据与设定压力比较的差值调整输出电流压力权重值ε2；

5、将电阻权重值ε1乘以电阻调整系数再加上将压力权重值ε2乘以电阻调整系数的结果，得到电流调整系数

6、根据电流调整系数通过PID控制策略，在主控板8上通过调节PWM组合波形从而控制驱动板9输出的脉宽调制PWM波形，实现对焊接电流输出大小的高频精确控制，PID调节频率可以达到10KHz；

电阻焊焊接过程中影响焊点质量主要有三个因素，分别是焊接电流、焊接时间、压力，目前各公司主要是对这三种参数进行监视并按照各自的算法进行电阻点焊的输出控制，其逆变中频直流电阻焊机的逆变频率基本都是采用800-1200Hz的范围内的某一个固定值进行逆变焊接，其中以1KHz的逆变频率应用最为广泛。

本发明提出一种基于高频逆变的直流电阻焊电源进行铝点焊的方法和系统，该系统工作于逆变高频段，因此高频变压器2，高频次级整流单元3都是针对高频段进行的设计和选型。

工作过程

焊接开始后，主控板按照输入信号调取相应的焊接规范参数，按照设定焊接参数进行焊接，逆变频率为10KHz，参数主要包括各段焊接电流，焊接时间，以及与压力相关的压力数值和压力时间等，比如预压时间、加压时间、压力保持时间等。

在预压时间和加压时间内主控板9通过压力监控单元5控制焊钳伺服电机对工件进行夹紧并且施加设定压力；

焊接开始后，在采集电流过有效值的中断时刻对压力监控单元5、电压反馈单元6、电流反馈单元7进行数据采集，由于逆变达到了10KHz，采样率可以达到20KHz的高频率数据采集；

根据欧姆定律，实时对电压反馈单元6、电流反馈单元7采集的数据运算得到次级电阻值，并与设定的电阻曲线进行比较获得偏差值，根据偏差值调整输出电流电阻权重值ε1；

根据实时采集的压力监控单元5的数据，通过与设定压力比较获得偏差值，根据偏差值调整输出电流压力权重值ε2；

将电阻权重值ε1乘以电阻调整系数再加上将压力权重值ε2乘以电阻调整系数的结果，得到电流调整系数

根据电流调整系数通过PID控制策略，在主控板8上通过调节PWM组合波形从而控制驱动板9输出的脉宽调制PWM波形，实现对焊接电流输出大小的高频精确控制，PID调节频率可以达到10KHz；

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。