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电阻焊机逆变技术
——中频直流、变频交流
成都顺泰焊接设备有限公司
摘要
本文
扼要介绍逆变中频、变频电阻焊机原理和实现方法，并对
中、变频电阻焊与工频电阻焊机
的可焊性（
Weld
Lobe
）进行比较。
解释了电阻焊“四变量”可编程的工程定义及应用实例
。
一、
原理及实现方法
1.1
中频电阻焊机的研制背景
由于航空航天、
汽车制造、
五金加工行业对
电阻焊接提出越来越多的
需求，特别是新材料焊接要求日盛，如：铝合金、热成型钢、高
强度
钢、铜铝焊接、铜铁焊接等，对电阻焊机的要求也越来越高。欧美等
发达国家自上世纪
90
年代后期就开始工业化使用逆变
电阻焊机以满
足新工艺的需求。目前，流行中频电阻焊组成及工作原理。
如图
1
示
< br>,
采用交→直→交，将三相交流电整流成直流（顺变）
，
再将
直流经
IGBT
组成的桥式电路生
成新的
1000Hz
的交流（逆变）
，
输入
到中频焊接变压器、
中频阻焊变压器与工频阻焊变压器的不
同之处是
工作频率是
1000Hz
，所
以其体积小且为克服感抗次级要加装整流二
极管，将焊接电流转换为直流。
1.2
中频电阻焊系统组成及工作原理
图一
图二。中频阻焊控制器（逆变器）输出电压波形
中频焊接变压器输出电流波形
图三。实际拍摄逆变器输出电压波形
焊接变压器输出电流波形
注：图
三照片是
RES
公司（美国三大汽车厂认可的第三方测试机构，
公司位于美国底特律）
中频阻焊控制器测试拍摄的。
中频变压器采用
Roman
公司
< br>TDC6179
。
1.3
中频控制器的硬件电路
1.3.1
主电路（功率器件、电容板）
图四
1.3.2
控制电路（编程板、主控板、驱动板）
图
5
1.3.3
主要技术指标：
·逆变方式：
AC/DC/MF/DC
·频率：
1000Hz
时间精度：
1
ms
·可编程
64
套焊接规范
·可编程三段加热—预热、焊接（可自定义递增递减段）
、回火
·可编程热量控制—恒压
/
恒流
/
恒功率
·可编程压力控制—最多可定义
10
个压力段
·自定义
I/O
口：与
PLC
、机器人适配
·多种总线模式：方便实现计算机集中控制
型号
Type
输出电压（
V
）
1000Hz
Output voltage
最大输出电流
（
A
）
Max. Output
Current
冷却方式
Cooling Mode
SMF1-400
SMF1-800
SMF1-1200
SMF1-2400
500
500
500
500
400
800
1200
2400
水冷
Water cooling
水冷
Water cooling
水冷
Water cooling
水冷
Water cooling
1.4
变频电阻焊机的研制背景
普通工频电阻焊机因为单相取电，
造成三相用电不平衡；
大功率电阻
焊机严重恶化电网，且设备的功率因数低。
①
普通工频电阻焊机中，焊接
电流的调节依靠可控硅调压实现。
加热电流出现断续，焊接热量不集中，尤其在焊接电流
较小情
况表现最明显。
②中频直流电阻焊机中，
因整流二极管的存在，
其消耗的电功率相当可观（每
1
0KA
的焊接电流至少
10KW
）
，
在设备冷却出现问题时极易损坏，因此造成了设备的可靠性降
低、且维修成本高。③中频直流电阻焊机中，因加热的电流为
直流，
存在焊接极性效应，对一些特殊材料不能适用。
能够克服上述
缺点并充分兼顾工频、
中频直流电阻焊优点的便是变频
交流电阻
焊技术。
1.5
变频电阻焊系统组成及工作原理
图六
图
7
变频阻焊控制器输出的电压波形
焊接变压器输出的电流波形
注：
图
7
照片是
RES
公司
2010
年
2
月对
SVF1-400
变频阻焊控
制器测
试拍摄的
2008
年
5
月实拍同一台交流一体化焊枪输出焊接电流有效值相同
时（<
/p>
10KA
）采用工频控制器、变频控制器的输出电流波形
图
8
。
工频控制器
变频控制器
1.6
变频控制器的硬件电路
1.6.1
主电路（功率器件、电容板）
图
9
1.6.2
控制电路（编程板、主控板、驱动板）
图
10
1.6.3
主要技术参数
1.
< br>输入电压：三相
380V
，
50
HZ/60HZ
，电源波动
+10%
，
-20
2.
最大输出峰值电流：
SVF1-400
400A
SVF1-800
800A
SVF1-1200
1200A
SVF1-2400
2400A
3.
变频输出电源频率：
0Hz <
/p>
～
400.0Hz
可编程；
4.
可编程最多
64
套焊接规范；
5.
三段加热过程：预热、焊接、回火；其中焊接段中可以自己定义递
增和递减段；
6.
可编程压力控制，最多可定义
10
个压力段；
7.
可编程输出
I/O
口：可编程
3
段输出，更好地与
PLC
、机器人等适配；
8.
焊点计数功能。
9.
电流阶梯步增、电极修磨控制
二、
可焊性（
weld
lobe
）评估
美国通用汽车电阻点
焊（钢板）
WS-5A
引用
weld
lobe
二维曲线来定
量评估焊机或材料的可焊性。
图
11
weld
lobe
Minimum Botton Diametter
Line:
最小直径焊核曲线
First Instance Of Expulsion on Second
Weld:
首次产生焊接飞溅实例的时刻
其中
B
曲线是由三组形成最小直径为
4mm
焊核时的焊接电流和焊接
时间画出。
< br>E
则是形成焊核直径≥
4mm
且
没有产生飞溅（
expulsion
）
时的焊接电流和焊接时间画出。
（
1
、
2
、
3
、
4
、
5
、
6
点的焊枪压力均
相同，焊接电流为有效值，焊
接时间为周波数。
）也就是说，只要焊
接规范（电流、时间）选
在
1
、
2
、<
/p>
3
、
4
、
5
、
6
包围的曲线内
就可以
实现有焊核且无飞溅（焊接母材不损失）的理想焊接效果。
在图
11
中我们设想加一压力坐标
。
<
/p>
P3-3
P3-2
P3
< br>层
P3-1
P3-4
P2-3<
/p>
P2-2
P2
层
P2-1
P2-4
P1-3
P1
层
P1-1
P1-4
P1-2
P1-5
P1-6
P2-5<
/p>
P2-6
P3-5
P3-6
图
12
在
I
、
T
二维平面中我们称之
为“焊接窗口”
。在
I
、
P
、
T
三维空间中
美国通用汽车
WS-5A
给出的
weld lobe
的含义就非
常明确了。
Lobe
英文直译为：耳垂；
（器官的）叶、脑叶、肺叶。
所以
weld lobe
就
是评估可焊性的三维指标。只要焊接规范（压力、时间、电流）选在
wel
d lobe
之内，就可以实现有焊核且无飞溅的理想焊接效果。这个
< br>三维空间就是众所周知的电阻焊“三要素”
。
通用汽车
WS-5A
给出了
weld
lobe
的工程定义：宽范围的
weld
lobe
可以容忍生产过程中电极几何形状改变、
电网电压
波动、
材料生
锈、污染及焊接设备的磨损。所以我们当然希望选
用焊机或材料的
weld
lobe
越大越好。
工
频
变频
中频
图
13
图
13
中的工频、变频
weld lobe
是美国
RES
公司
2010
年
2
月，在同
一压力条件下使用同一把交流焊枪分别对工频控制器和变频控制器
测试后画出的
weld
lobe
曲线。
注：工频控制器：美
国
WTC
公司
C30A
。
变频控制器：
SVF1-400
。
中频
weld lobe
曲线摘自由美
国华盛顿大学、
WTC
公司和克莱斯勒
公司共同撰写的《交流和中频直流电阻焊能源消耗的比较》
。
不难看出，
中频、
变频逆变电阻焊机的
可焊性要明显优于工频电
阻焊机。
为
了控制焊接品质，
工频和中频电阻焊控制器在设计中要求具备
“
三要素”可编程功能，
（即压力
P
、时
间
T
、电流
I
有效值）
，见图