段 瑞，董建濤，羅 震，羅宇璨，馮夢楠

（1. 天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

0 引言

隨著航空航天、電子、汽車、家用電器等工業(yè)的發(fā)展，電阻焊越來越受到廣泛的應(yīng)用。同時對電阻焊的點(diǎn)焊接頭質(zhì)量也提出了更高的要求。通過對傳統(tǒng)的一對電極的電阻點(diǎn)焊熔核橫截面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)保留著鑄態(tài)組織形貌。在熔合線附近聯(lián)生結(jié)晶形核后，晶粒最易沿著散熱最快的方向（或溫度梯度最大的方向）優(yōu)先增長，一直長到熔核的中心，最終形成粗大的柱狀晶，而粗的的柱狀晶對接頭強(qiáng)度等方面有著不良的影響，這對焊接質(zhì)量的進(jìn)一步提高形成了局限[1]。

在對等厚板件點(diǎn)焊過程中可能出現(xiàn)的電極偏心和電極傾斜的情況進(jìn)行有限元模擬過程中[2,3]，發(fā)現(xiàn)由于通過被焊板件的焊接電流方向發(fā)生一定程度的偏斜，在該電流影響下的熔核溫度場分布相比正常情況下的點(diǎn)焊過程也發(fā)生了不同程度的偏斜，如圖1所示。這種偏斜會使焊接處的等軸晶、柱狀晶組織的分布發(fā)生一定的變化。

圖1 溫度場有限元模擬

本文根據(jù)電流方向變化對熔核組織的影響，設(shè)計了一種通過控制改變流經(jīng)點(diǎn)焊接頭處的焊接電流方向，從而限制熔核處粗大柱狀晶體的形成，使其晶粒變細(xì)小，進(jìn)而達(dá)到提高點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度的點(diǎn)焊焊接電流方向控制方法。

1 控制點(diǎn)焊焊接電流方向電路設(shè)計

控制電流方向電路設(shè)計如圖2所示，將傳統(tǒng)點(diǎn)焊逆變電源的輸出端上下兩個電極變?yōu)槿齻€上電極和三個下電極，并在每個電極處設(shè)置的獨(dú)立的IGBT橋臂開關(guān)和驅(qū)動信號源[4]，使用IGBT對每個電極的導(dǎo)通進(jìn)行控制，使點(diǎn)焊過程中形成類似“電極偏心”或“電極傾斜”的效果，實(shí)現(xiàn)對電流方向的改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)焊接頭組織晶粒細(xì)化。

圖2 控制電流方向電路

六組IGBT及其驅(qū)動信號根據(jù)實(shí)際焊接需要，按一定的順序開通或關(guān)斷，從而控制六個直接可控電極（A、B、C、D、E、F）的輸出。焊接電流方向參見圖3，圖中橢圓為傳統(tǒng)點(diǎn)焊的熔核。例如，橋臂Z1，Z4開通，其他橋臂關(guān)斷，則此時參與點(diǎn)焊的上電極為電極A，下電極為電極D，電流方向?yàn)?。通過上下共6個電極的分別開關(guān)，可以配合產(chǎn)生9種不同的焊接電流方向。對焊接電流方向進(jìn)行優(yōu)化配合，就可以改善熔核的結(jié)晶形態(tài)，達(dá)到提高點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度的目的。

圖3 焊接電流方向示意圖

2 控制點(diǎn)焊焊接電流方向電路仿真及結(jié)果

根據(jù)設(shè)計的電路圖，針對圖3中電流方向3、5、7配合使用的情況進(jìn)行Pspice電路簡化仿真[5]，仿真電路圖如圖4所示。其中V1為逆變電源3V直流輸出，R1為電流方向3情況下的被焊板件等效電阻，R2為電流方向5情況下的被焊板件等效電阻，R3為電流方向7情況下的被焊板件等效電阻，均設(shè)置為0.00015Ω。驅(qū)動信號周期均為0.003s，為避免電路相應(yīng)時間延遲造成不必要的電流疊加，驅(qū)動脈沖寬度設(shè)為0.00099s，V2、V3、V4之間脈沖起始時間相差0.001s，驅(qū)動信號波形如圖5所示。

圖4 仿真電路圖

圖5 驅(qū)動信號波形示意圖

由于點(diǎn)焊過程中熱源主要是來自于電阻熱，即與電阻上的電流值有關(guān)，所以觀察等效電阻R1、R2、R3 的電流波形，仿真結(jié)果如圖6所示。R1、R2、R3電流波形之和、即連續(xù)通過被焊工件的仿真電流波形如圖7所示。

圖6 仿真結(jié)果示意圖

圖7 R1、R2、R3電流波形之和

從圖6中看出每個等效電阻的電流時間與其對應(yīng)的驅(qū)動信號時間相一致，由圖7發(fā)現(xiàn)由于將驅(qū)動信號脈沖寬度值設(shè)置為0.00099s，小于3路驅(qū)動信號周期之和的三分之一，即添加了0.00001s的死區(qū)時間，避免了在IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷瞬間出現(xiàn)不必要的電流疊加，超過工作電流上限，損壞IGBT開關(guān)。而將該脈沖寬度值設(shè)置過小，會造成在IGBT導(dǎo)通、關(guān)斷瞬間即電流方向變化階段電流值下降，影響熱輸入、焊接效率。

3 結(jié)論

1）本文設(shè)計了一種控制點(diǎn)焊焊接電流方向的方法，通過將傳統(tǒng)點(diǎn)焊設(shè)備中的兩電極變?yōu)榱姌O，并分別加以獨(dú)立可控開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對焊接電流方向的控制，進(jìn)而改善焊接質(zhì)量。

2）通過Pspice軟件對該控制方法電路進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該方法控制精度高，不影響焊接總熱輸入的大小，保證了焊接效率。

3）在設(shè)置電極開關(guān)的驅(qū)動信號脈沖寬度時應(yīng)保證必要大小的死區(qū)時間。

[1] 唐新新,單平,羅震,葉茂.點(diǎn)焊熔核尺寸及焊接電流逆過程設(shè)計[J]. 焊接學(xué)報,2007,(11):45-48+115.

[2] 徐士航. DP590GA熱鍍鋅雙相鋼電阻點(diǎn)焊工藝研究及數(shù)值模擬[D].上海交通大學(xué),2010.

[3] 趙陽,熊慶華,馬闖. 電阻焊仿真SORPASD在國內(nèi)的應(yīng)用[J]. 電焊機(jī),2013,(02):72-78.

[4] 張宏杰. IGBT點(diǎn)焊逆變電源設(shè)計與仿真研究[D].吉林大學(xué),2004.

[5] 鄧凡李.基于PSpice的電力電子電路仿真研究[D].合肥工業(yè)大學(xué),2006.