专利名称：一种储能拉弧式螺柱焊机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊机，尤其涉及一种储能拉弧式螺柱焊机，属于作业运输部中焊接
背景技术：
螺柱焊接就是将金属螺柱或类似的其他金属紧固件(栓、钉等)垂直焊接到另一工件(一般为板件)上去的焊接方法，螺柱焊接可以省去钻孔攻丝代替螺纹连接或铆接，二次世界大战后螺柱焊接已广泛地应用于汽车、造船、机车、航空等行业。已知的螺柱焊机有两大类，一类是电容作为焊接动力的储能式螺柱焊机，它的优点是可以用小电流如220V照明电，将电能快速储藏于电容器中(J＝CV2/2，J为能量焦耳，C为电容量F，V为储能电压)，然后通过控制系统和焊枪借助于螺柱自身的小凸点产生尖端放电，形成瞬间数千安培甚至上万安培的电弧，使螺柱和母材之间的金属迅速熔化，并在焊枪的弹压力下将两者连接在一起，形成焊接接头，焊接过程仅1～3毫秒，不会引起金属氧化变色，不会变形，但是由于熔化层非常浅，仅0.1mm，只适合于母材厚度不超过3mm并不受承载负荷的仪表、家电、装饰品、橱柜不锈钢制品的螺柱焊接。如中国发明专利95119847.5，其发明名称为《电容器贮能式螺柱焊机》(其公开号CN1157767A)；又如中国实用新型专利，其实用新型名称为《电容缓冲储能逆变式电弧螺柱焊机》(其公开号CN2640682Y)；再如成都华远电器设备有限公司生产的RSR-1200、RSR-1600、RSR-2500电容贮能式螺柱焊机。
另一类是变压器作为焊接动力的拉弧式螺柱焊机，它以弧焊整流器作为电源进行焊接，它的优点是可以在厚度超过3mm的板材上焊接8mm以上的承载型螺柱，这类焊机的电弧是通过焊枪将螺柱与母材短路并迅速提升而形成，所以焊接的电流比普通药皮焊条电弧焊要大得多(A＝D×100，D为螺柱直径)一般只少要数佰安培到数千安培，因此焊机的焊接变压器和外电源容量必须足够大，这样势必增大了产品的重量和体积，如一台1200A螺柱焊机重达170公斤，3000A的焊机重量达370公斤，在现场移动十分困难，特别是建筑业的高层施工中更加不便，同时要耗费大量的有色金属，制造成本高昂，线路复杂，由于其需要三相电提供电源，对一般的市电220V不能直接使用，进一步增加了它的使用限制。如成都华远电器设备有限公司生产的RSN-1200、RSN-1600、RSN-2500、RSN-3150电弧螺柱焊机。
超级电容器(Supercapacitor或Ultracapacitor)是20世纪60年代发展起来的一种新型法拉级超大容量的储能单元，80年代进入了商业应用规模，它采用表面积很大的多孔性炭和具有准电容特性的RuO2-XH2O按一定比例做成的电极材料，使用38％硫酸或胶体高分子聚合物作为电解质，使用多孔性的聚乙烯/聚丙烯膜作为隔膜，其厚度为0.02mm，在两点之间夹上隔膜，以此组成基片，再由基片组装成超级电容器。它具有很高的功率密度、极长的充放电循环寿命、非常短的充电时间，并且瞬间可以释放数千安培甚至短路都不会损坏，储存寿命极长及可靠性高的优点。已经在机车、城市公交车、计算机、UPS系统及装甲车上投入使用，并且其应用领域在不断地延伸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种体积小、重量轻、适合焊接母材超过3毫米承载型螺柱直径超过8毫米的储能拉弧式螺柱焊机。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为该储能拉弧式螺柱焊机，其包括机壳、变压器、控制面板、焊枪及由电器元件构成的内部电路，内部电路包括焊枪电路、整流充电电路、放电电路、控制模块及储能装置，其特征在于前述的放电电路包括第一继电器的常闭触点，前述的储能装置采用超级电容器，该超级电容器与前述的整流充电电路组成充电回路，该超级电容器与放电电路、焊枪、螺柱及母材组成焊接放电回路，控制模块分别与整流充电电路及超级电容器组成控制回路，并且内部电路还包括先导放电电路，该先导放电电路与前述第一继电器的常闭触点并联连接，其包括第二限流电阻和第三继电器的第一常闭触点。
进一步，所述的超级电容器并联一个由第二继电器和稳压二级管组成的保护电路，所述的整流充电电路包括受控于第二继电器的常闭触点、固态继电器、整流桥及第一限流电阻，整流桥的第一输入端上连接有常闭触点，第二输入端上串联有第一限流电阻和固态继电器，整流桥的第一输出端与超级电容器的负极连接，整流桥的第二输出端与超级电容器的正极连接。整流充电电路还可以采用现有技术中常用的电路连接方式替代。
所述的焊枪电路包括焊枪整流桥和第三继电器的第二常闭触点。
所述的超级电容器其额定电压优选为60～90伏，额定电流1000～3000安培。
进一步，所述的控制模块具体可以包括稳压电路、用于控制超级电容器电压的电压反馈电路及用于控制充电速度的比例式脉冲调节电路。
进一步，所述的电压反馈电路可以包括继电器、三级管、第一调节电位器、光电耦合管、电压选择开关及至少两个并联的电压传感元件组成。
进一步，所述的比例式脉冲调节电路包括时间集成块和第二调节电位器。
与现有技术相比，本发明的优点在于采用了超级电容器作为储能装置后，能将小容量电流甚至市电迅速储存在超级电容器中，然后通过控制系统和焊枪能对电弧的电流和时间进行控制，使得焊件的熔化层更深，从而达到螺柱焊接的目的，焊接后，螺柱与母材的断面显示焊缝质量好。
相对于传统的储能式螺柱焊机，本发明能焊接超过3毫米母材及承载型直径超过8毫米的螺柱。
相对于现有的以变压器为动力的拉弧式螺柱焊机，本发明用电不局限于三相电源，一般的市售照明电220V就可以直接使用；电压降不会影响焊接质量；由于放电迅速，焊接电流上升速度快，焊缝质量好；根据需要可以外接电容，来实现焊接更大的螺柱；由于取消了庞大的焊接变压器，减小了重量和体积，降低了制造成本；针对M6～M10的螺柱焊接可以不需要保护气体或瓷环，减少焊接成本；不需要电抗器，电弧稳定性好，焊接时耗能少；比例式调压充电对电网无影响；工作电压能全过程显示，便于控制，并有重量轻，体积小，便于现场移动等优点。
图1为本发明实施例整体电路图。
图2为图1中控制模块电路图。
图3为本发明实施例运行流程框图。
图4为本发明实施例程控接线图。
图5为本发明实施例控制面板结构示意图。
图6为本发明实施例电器布置示意图。
图7为本发明实施例各参数变化曲线图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例参考图1，本实施例中的储能拉弧式螺柱焊机包括机壳200、焊枪6、变压器DB、控制面板201及由电器元件构成的内部电路，内部电路包括焊枪电路5、整流充电电路1、放电电路3、保护电路4、先导放电电路31、控制模块2及超级电容器C。
焊枪电路5包括整流桥WD2和第三继电器CJX2的第一常闭触点CJX2-1，放电电路3包括第一继电器CJ20的第一常闭触点CJ20-1。
整流充电电路(1)包括受控于第二继电器CJX1的常闭触点CJX1-1、固态继电器SSR、整流桥WD1及第一限流电阻R1，整流桥WD1的第一输入端a上连接有常闭触点CJX1-1，第二输入端b上串联有第一限流电阻R1和固态继电器SSR，整流桥WD1的第一输出端c与超级电容器C的负极连接，整流桥WD1的第二输出端d与超级电容器C的正极连接。
超级电容器C与整流充电电路1组成充电回路，超级电容器C与放电电路3、焊枪6、螺柱7及母材8组成焊接放电回路，控制模块2分别与整流充电电路1及超级电容器C组成控制回路。其中变压器DB采用220V、380V两用的降压隔离变压器，输出电压为120V、15V二档，前者作为充电电源，后者作为控制电源，焊枪电路5与焊枪6的电磁线圈10组成焊枪提升回路。
保护电路4与超级电容器C并联，保护电路4由第二继电器CJX1和稳压二级管ZD组成。先导放电电路31与第一继电器CJ20的常闭触点CJ20-1并联连接，先导放电电路31由第二限流电阻R7和第三继电器CJX2的第一常闭触点CJX2-1组成。
超级电容器C、焊枪6、螺柱7及母材8组成焊接放电回路，焊枪电路5和电磁线圈10组成焊枪提升回路，先导放电电路31与焊枪提升回路同步进行，并通过螺柱7的提升，产生一个小电弧，该电弧具有两个作用，第一，清除母材上的锈污；第二，为下一步引燃主电弧做准备，这样的先导放电电路31可保证主电弧百分百的引燃。超级电容器C的充电与截止是通过由控制模块2控制的固态继电器SSR来实现的。超级电容器C的过压保护是通过第二继电器CJX1的常闭触点CJX1-1来实现。
参考图2，控制模块2包括稳压电路21、用于控制超级电容器C电压的电压反馈电路22及用于控制充电速度的比例式脉冲调节电路23。电压反馈电路22由继电器JRC、三级管D1、第一调节电位器W1、光电耦合管D2、电压选择开关K及五个并联的电压传感元件E1、E2、E3、E4、E5组成。比例式脉冲调节电路23包括时间集成块IC2和第二调节电位器W2，比例式脉冲调节电路23中的时间集成块IC2的输出端与固态继电器SSR的信号输入端连接，比例式脉冲调节电路23中的第二调节电位器W2可实现1～49周波脉冲信号。
本实施例中的超级电容器C采用容量20法拉、额定电压为70V、放电电流为1500A，该超级电容器C从0伏充到正常工作电压70V，仅需30秒，从50V充到70V只需7秒(焊接一只M12的螺柱一般电压降为15～20V)。根据实际生产需要超级电容器C的容量可以随着焊接螺柱的直径大小而选择，直径越大，所需超级电容器C的容量也更大，额定电压一般选择范围为60～90伏。实践证明这样的充电速度可以满足一般螺柱焊接生产率的需要。充电脉冲由时间集成块IC2组成的振荡器来完成，当时间集成块IC2输出高电平时，固态继电器SSR的3、4脚之间有电，固态继电器SSR的1、2脚呈导通状态，与其连接的120V交流电被送到整流充电电路1的整流桥WD1，使超级电容器C迅速充电，当超级电容器C上的电压达到设定电压值时，与超级电容器C正极相连的稳压二级管ZD导通，并通过光电耦合管D2将超级电容器C上的信号反馈到三极管D1的基极，使三极管D1导通，继电器JRC有电，使其常闭触点JRC-1脱开，固态继电器SSR上3脚成低电平，1、2脚呈截止状态，超级电容器C停止充电。第一调节电位器W1可以控制三极管D3的导通电压，从而控制超级电容器C上的工作电压(40～70V)。第二调节电位器W2调节时间集成块IC2输出的脉冲频率(调节范围为2～98％)。超级电容器C开始充电时应用低脉冲随着超级电容器C电压的上升，容抗增加，充电电流会减小，此时要逐渐加大脉冲(可通过调节焊机面板上的旋钮)，当超级电容器C上的电压上升到40V的时可用全脉冲充电。使电流维持在50A的恒定值。由于固态继电器SSR具有高灵敏度、抗干扰性强、噪声小、寿命长的特点。实践证明超级电容器C上的重复电压误差可控制在1V内，完全能满足螺柱拉弧式焊接要求。
图3为本发明实施例运行过程框图。表示焊枪焊接一个螺柱经过的一个充电放电周期。
图4为本发明实施例程控接线图。其中AN1为控制面板充电开关，AN2为焊枪开关，JQX1和JQX2为小型继电器，CJX1为第二继电器，CJX2为第三继电器，CJ20为第一继电器，T1和T3为5秒时间继电器，T2和T4为1秒时间继电器，R1为充电限流电阻，即第一限流电阻，R7为引弧限流电阻，即第二限流电阻，C为超级电容器，LED为发光二极管指示灯，6为焊枪，10为电磁线圈。
图5为本发明实施例中控制面板结构示意图。
参考图6为本发明实施例电器布置示意图。其中，MO-2为焊接程控模块，56为风机，MO-1为整流充电控制模块，其包括整流充电电路1和控制模块2。机壳200分为上下两层，上层设有焊接程控模块MO-1、整流充电控制模块MO-2、第一继电器CJ20、第二继电器CJX1、第三继电器CJX2及第一限流电阻R1、第二限流电阻R7和变压器DB；下层设有超级电容器C；靠近第一限流电阻R1的一侧设有用于散热的风机56，。
参考图7，纵坐标表示电流(A)、电压(V)、提升高度(mm)及气体体积(ml)的综合图，其中i1曲线表示引弧电流随时间变化的曲线图，i2曲线表示拉弧电流随时间变化的曲线图，u曲线表示超级电容的电压随时间变化的曲线图，g曲线表示保护气体体积随时间变化的曲线图，h曲线表示焊枪提升高度随时间变化的曲线图，横坐标表示时间，具体如下0～S1为t1，表示保护气体提前时间；S1～S2为t2，表示先导放电电流及焊枪提升提前时间；S1～S3为t3，表示先导放电电流及焊枪提升总时间；S2～S4为t4，表示主电弧放电时间；S3～S4为t5，表示有电顶锻短路时间(其中f表示有电顶锻)；S4～S5为t6，表示超级电容重复充电时间。
权利要求
1.一种储能拉弧式螺柱焊机，其包括机壳(200)、变压器(DB)、控制面板(201)、焊枪(6)及由电器元件构成的内部电路，内部电路包括焊枪电路(5)、整流充电电路(1)、放电电路(3)、控制模块(2)及储能装置，其特征在于前述的放电电路(3)包括第一继电器(CJ20)的常闭触点(CJ20-1)，前述的储能装置采用超级电容器(C)，该超级电容器(C)与前述的整流充电电路(1)组成充电回路，该超级电容器(C)与放电电路(3)、焊枪(6)、螺柱(7)及母材(8)组成焊接放电回路，控制模块(2)分别与整流充电电路(1)及超级电容器(C)组成控制回路，并且内部电路还包括先导放电电路(31)，该先导放电电路(31)与前述第一继电器(CJ20)的常闭触点(CJ20-1)并联连接，其包括第二限流电阻(R7)和第三继电器(CJX2)的第一常闭触点(CJX2-1)。
2.根据权利要求1所述的储能拉弧式螺柱焊机，其特征在于所述的超级电容器(C)并联一个由第二继电器(CJX1)和稳压二级管(ZD)组成的保护电路，所述的整流充电电路(1)包括受控于第二继电器(CJX1)的常闭触点(CJX1-1)、固态继电器(SSR)、整流桥(WD1)及第一限流电阻(R1)，整流桥(WD1)的第一输入端(a)上连接有常闭触点(CJX1-1)，第二输入端(b)上串联有第一限流电阻(R1)和固态继电器(SSR)，整流桥(WD1)的第一输出端(c)与超级电容器(C)的负极连接，整流桥(WD1)的第二输出端(d)与超级电容器(C)的正极连接。
3.根据权利要求1所述的储能拉弧式螺柱焊机，其特征在于所述的焊枪电路(5)包括焊枪整流桥(WD2)和第三继电器(CJX2)的第二常闭触点(CJX2-2)。
4.根据权利要求1所述的储能拉弧式螺柱焊机，其特征在于所述的超级电容器(C)其额定电压为60～90伏，额定电流1000～3000安培。
5.根据权利要求1至4任一所述的储能拉弧式螺柱焊机，其特征在于所述的控制模块(2)包括稳压电路(21)、用于控制超级电容器(C)电压的电压反馈电路(22)及用于控制充电速度的比例式脉冲调节电路(23)。
6.根据权利要求5所述的储能拉弧式螺柱焊机，其特征在于所述的电压反馈电路(22)包括继电器(JRC)、三级管(D1)、第一调节电位器(W1)、光电耦合管(D2)、电压选择开关(K)及至少两个并联的电压传感元件(E1、E2、E3、E4、E5)组成。
7.根据权利要求5所述的储能拉弧式螺柱焊机，其特征在于所述的比例式脉冲调节电路(23)包括时间集成块(IC2)和第二调节电位器(W2)。
全文摘要
一种储能拉弧式螺柱焊机，其包括机壳、变压器、控制面板、焊枪及由电器元件构成的内部电路，内部电路包括焊枪电路、整流充电电路、放电电路、控制模块及储能装置，放电电路包括第一继电器的常闭触点，储能装置采用超级电容器，超级电容器与前述的整流充电电路组成充电回路，超级电容器与放电电路、焊枪、螺柱及母材组成焊接放电回路，控制模块分别与整流充电电路及超级电容器组成控制回路。与现有技术相比，本发明的优点在于体积小、重量轻；电压降不会影响焊接质量；焊缝质量好；可以外接电容；制造成本低。
文档编号B23K9/10GK1911585SQ20061005288
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月10日 优先权日2006年8月10日
发明者俞岳皋 申请人:俞岳皋