电阻焊综述
文/凤巢
[摘 要]：介绍了国内电阻焊设备的发展现状，并对我国电阻设备的发展提出了建议。着重介绍了电阻焊在钢桶工业中的应用及发展，及国内外对新型桶身材料电阻焊性能的研究。
[关键词]： 电阻焊；发展；钢桶工业
电阻焊一经出现，便因其生产效率高、焊接质量容易得到保证、易实现机械化、自动化，在焊接领域中得到了广泛的应用。随着科学术的不断发展，对产品质量要求的不断提高，尤其是在大量使用电阻焊设备的汽车工业中出现的复合板（镀层金属）、高合金钢及各种有色金属材料，对电阻焊设备提出了新的要求。从目前电阻焊设备的状况来看，需要解决的主要问题是：一，提高生产效率；二，保证质量监控；三，新型材料电阻焊；四，节约能源。文章将从以上各点出发对电阻焊设备加以讨论。
1 电阻焊设备的发展及现状
电阻焊的发展以其开关器件的进步为标志，先后经历了机械开关、继电器、引燃管、晶闸管等阶段。机械开关式电阻焊机仍有部分在使用，但由于没有时间控制装置，焊接质量不稳定，在加上整流元件后便演变成现在广泛使用的工频交流电阻焊机，实现了时间和电流的控制。随着电力电子技术的发展，先后出现了三相低频、次级整流、电容储能以及逆变式电阻焊机。但目前应用较为广泛的仍是工频交流电阻焊机。就节能而言，工频电阻焊机的效率低下，而三相低频、次级整流焊机输人容量是单相交流电阻焊机的33%-25%。但由于其体积庞大、成本高，未能得到普及。近年来出现的逆变式电阻焊机利用逆变技术将电网电压整流，逆变成1kHz左右的信号，再经过中频变压器整流，输出单向焊接电流。普通工频交流电阻焊机在焊接时，电流频繁过零，且停留时间相对较长，减弱了焊机的加热能力。目前主要通过采用低频或直流波形来弥补这一缺点。
2 逆变式电阻焊机的进展
70年代末期出现的逆变电源极大地减少了变压器重量和体积，提高了效率，使得该设备极宜用于机器人系统中。其实，点焊设备采用中频逆变技术的目的不止于此，更是为了实现瞬时高能量输入，得到更好的焊接工艺特性和动态响应能力。
逆变电源开关元件从最初的晶闸管到功率晶体管，最终到现代广泛使用的绝缘栅极晶体(IGBT)，功率可以达到10-250kVA。电阻焊逆变电源变压器的体积减少受限于线圈中流过的电流，进一步提高频率并不能使之减小，一般认为1kHz左右是电阻焊逆变的最优的频段。此时，系统具有良好的动态响应能力。传统的电阻焊机参数控制基于普通工频，以周波(20ms)为时间单位，为充分发挥参数细调功能，部分逆变电阻焊机以ms为时间调节单位。对汽车工业中大量应用的点焊机器人而言，轻质量的变压器，有利于将变压器和焊钳做成一体，使点焊机器人所需的驱动功率和最大负重大大减小，并能改善焊机的电气性能，提高电源的热效率，提高控制精度和响应速度，除此之外，逆变式电阻焊机还具有动态响应速度高、电网三相平衡、次级不爱感抗变化的影响 、焊接电流脉动小、焊接工艺性能较好等优点。
目前逆变电阻焊机还主要应用于中小功率焊机及点焊钳。国外如日本木村制作所和MITACHE公司均在近几年相继推出了自己的逆变式电阻焊机产品。在逆变电阻焊机电路 中，次级整流时大功率二极管的压降及发热较大，即使采用压降低的肖特基势垒二极管，在流过上万安培焊接电流时，也会产生大量的热量，必须设计冷却系统以便保持正常的工作。这就加大了焊机的体积和质量。总之，目前为止，逆变电阻焊机的实际应用还受限于电子元件的进步。
3 电阻焊过程及质量控制
电阻焊焊接时间极短，焊接过程不可见，在实际焊接过程中不可避免会出现如瞬时电网电压波动、电流分流、电极磨损等因素引起的焊点质量不稳定，加之电阻焊工艺应用广泛且自动化程度高，故质量控制显得极为重要，如何保证其焊接质量一直是国内外学者的研究重心之一。数年来，国内外众多学者先后提出了各种电阻焊焊接质量监控方法，随着微机技术的发展各种监控方法日趋完善。下面简单介绍几种较为成熟的控制方法。
3.1 恒电流控制法
恒电流控制法通过将被检测的焊接电流与给定值相比较，利用其偏差来调控开关器件触发角，从而使之与给定值相等，达到恒电流控制的目的。恒流控制的关键点在于如何采集电流信号。目前，电流采集主要采由空心线圈传感器从二次回路检测焊接电流，其制作水平直接影响到恒电流控制的精度。故当今国内多用霍尔传感器在变压器一次侧对焊接电流进行检测，以求达到较高的控制精度。
3.2 动态电阻控制法
焊接过程中被焊工件的电阻是随着焊接过程不断变化的，将其作为控制量即为动态电阻法。国内如南昌航空大学、吉林工业大学、成都电焊机研究所等机构对此进行了研究与开发。
由于其原理所限，动态电阻控制法一般只适用于动态电阻曲线区域特征较明显的材料，常见的此类材料主要有低碳钢、低合金钢、钛合金钢等。日本有企业推出将恒流控制与动态电阻控制相结合的控制器，进一步保证了焊点质量。
3.3 热膨胀电极位移法
热膨胀电极位移法由于能够克服干扰因素造成的焊点质量波动、适应材料广泛，一直为国内外学者高度重视。其机理是利用被焊金属在熔化时体积膨胀，使电极发生位移，且其位移和核心的尺寸相关，通过此位移量可以实时控制焊点质量。国内对热膨胀电极位移法作了大量深入的研究工作，并研制出了一批具有实用价值的质量监控器。国内高校如南昌航空大学、哈工大、西北工大等较早地开始了此类研究。
3.4 多参数控制
虽然采用了上述各种点焊质量控制方法，但是只靠其中任何一种控制方法仍然无法克服由于各种复杂原因造成的质量波动。显然采用采用单一参数作为控制对象是不充分的，一些学者提出了多参数综合控制的思路。其中，德国学者Burmeister[7]采用模糊控制的方法成功地在机电参数和焊接质量之间建立了一种新的关系模型。国外企业也推出了能实现多参数综合控制的产品。
4 电阻焊在钢桶工业中的发展
电阻焊以其较高的机械化自动化程度，在钢桶工业得到了广泛的应用。电阻焊工艺主要用于桶身缝焊和封闭器等零部件的生产。
科技的进步、钢桶工业的发展，对电阻焊设备提出了进一步的要求：一，生产线自动化和柔性化程度要提高。近些年来，在国内钢桶制造业中，全自动缝焊机在生产线上所占的比例有所提高，但和国外相比仍有较差距；二，能够很好地完成新型材料的焊接，如即将被广泛采用以代替冷轧钢板的镀锌钢板、彩印板、预涂板、覆膜铁等材料；三，自动化的进一步提高、生产节奏的进一步加快必然对焊接质量控制和检验提出更高的要求。现代全自动缝焊机已经配备了自动化的质量和产量控制系统，如自动寻缝系统、数字控制系统、质量检测系统，有利于焊接质量的集中管理和控制。
5 新型材料的电阻焊焊接性
如上所述，钢桶工业的发展对钢板材料性能提出了更高的要求，为提高桶身的抗腐蚀能力，提高钢桶的使用寿命，镀锌钢板正在逐步取代普通冷轧钢板；各个制桶企业也正在开发彩印钢板、预涂板和覆膜铁，以减轻涂装污染，降低能耗。如何使钢桶生产线上的设备很好地解决这些新型材料的焊接已经成了非常迫切的任务。
国内外的学者对镀锌钢板进行了较多的研究，尤其是美、法、日在此方面做了大量的工作，就目前而言，这些研究主要集中在以下这方面：从大量实验中寻找最佳焊接规范参数，改善焊接质量；研究电极磨损原理、探索提高电极寿命的文法；运用数值模拟的方法对焊接过程进行模拟。
6 展望
国内的焊接设备行业是在解放后发展起来的，特别是在改革开放以来取得了较大的成效，初步建立了科研、设计、生产、测试、销售体系。但是和国外的先进技术相比较，国产设备在可靠性、自动化程度、技术水平上存在很大的差距，我国的点焊机仍以进口为主。
我国应当加强相关专业技术人员的培养，提高在生产一线的工人的技术水平，引进国外先进的设备，并借鉴之、吸收消化之，在其基础之上发展创新，以迅速提高我国电阻焊设备的技术水平。
坦率的讲，国外电阻焊技术代表了电阻焊机的发展方向，对我国的科研方向具有重要借鉴意义。
