磁控电阻点焊系统的制作方法

专利名称：磁控电阻点焊系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种焊接技术领域的装置，具体涉及的是一种磁控电阻点焊 系统。
背景技术：
电磁搅拌作为改善金属凝固过程一次结晶组织的一种有效方法，已经成功应 用于电弧焊、铸造等领域。其原理是通过电磁场的非接触作用使高温金属磁流体 发生有规律的高速流动，从而影响和改变熔化金属一次结晶过程。早在上世纪 70年代，前苏联学者M.A. Abralov (Automatic Welding, Vol. 30， No. 5， 52-55, 1977)就研究了外部磁场对钨极氩弧焊焊缝金属结晶组织和机械性能的影响，发 现外部磁场的作用能够细化焊缝金属的一次结晶组织并提高接头强度。磁控电弧 焊接技术的广泛研究充分证明了外部磁场细晶强化焊接接头综合力学性能的有 效性。但是电阻点焊与电弧焊存在较大差异，它属于固定位置焊接工艺，整个焊 接过程分预压、焊接、保持三个阶段，对于常规的材料，通常只有焊接阶段存在 电流，在随后的冷却结晶过程电流则会关断，因而外部磁场将无法发挥作用，这 使得该方法无法有效控制熔核的结晶过程。
经过对现有技术的检索发现，专利申请号200320109642.2记载了一种"交 流缝焊机磁控装置"，该技术采用四个永磁体对电阻缝焊过程中缝焊接头的形成 进行控制，有效的细化了晶粒，提高了接头拉剪强度。电阻点焊与电阻缝焊虽同 属电阻焊工艺，但电阻缝焊属于连续焊接工艺，整个焊接过程中电流始终存在， 且由于分流的存在，滚轮后侧尚未凝固的金属中仍然有电流流过，使得外部磁场 仍然能够作用于该区域，从而可以控制结晶过程。电阻点焊工艺熔核在凝固结晶 时电流己经关断，磁控装置无法起作用。其次，电阻缝焊的焊缝通常都比较平直， 磁控装置容易布置，但是电阻点焊工况则十分复杂，磁控系统尺寸过大则容易与 被焊工件发生干涉。另外，该磁控系统采用永磁体作为磁场源，具有以下局限性: 磁场大小取决于永磁体与工件之间的距离，调节困难且精度低；只能产生恒定磁 场，磁场模式单一；焊接过程中磁场强度无法根据需求改变；永磁体体积大、间距小，容易和车身零件和工装夹具产生干涉；连续焊接过程环境温度高，而永磁 体超过80摄氏度磁性就会明显衰减。
又经检索发现，张忠典等人通过实验研究了永磁体对高强钢电阻点焊接头微 观组织状态和力学性能的影响(第十一次全国焊接会议论文集，第一册406-409， 2005)，发现在永磁体作用下焊核直径明显增大，接头的综合力学性能也进一步 提高。但该磁控系统仍然存在以下缺陷(l)永磁体产生的磁场为恒定磁场，控 制模式单一；(2)磁场大小通过双永磁体的间距来调节，调节困难且调节精度低； (3)永磁体体积大、间距小，容易和车身零件和工装夹具产生干涉；(4)永磁体脆 性大，抗冲击和振动能力差。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种磁控电阻点焊系统。本发明 在基本电阻点焊设备的基础上增加一个可控的电磁搅拌系统，在电阻点焊过程的 通电加热和焊后保持阶段，该系统通过非接触方式对电阻点焊熔核中的液态金属 进行电磁搅拌作用，实现增大焊点尺寸、细化结晶晶粒、消除结晶裂纹、均匀化 学成份，并最终提高电阻点焊接头综合机械性能的目的。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括同步系统、电力变换装置、 下激磁线圈、上激磁线圈、点焊焊枪、第一电流传感器和第二电流传感器，其中 同步系统的输入端通过第一电流传感器、第二电流传感器分别与电阻点焊焊枪和 激磁线圈相连接，同步系统的输出端与电力变换装置的输入端相连接以传输电磁 搅拌同步控制信号和激磁线圈保护信号，下激磁线圈和上激磁线圈分别固定设置 于电阻点悍焊枪上，下激磁线圈和上激磁线圈的驱动输入端和接地端分别与电力 变换装置的输出端并联。
所述的电力变换装置包括交直流变换器、激磁控制驱动器和全局控制器， 其中全局控制器和同步系统对应连接，激磁控制驱动器的控制输入端与全局控 制器相连接，激磁控制驱动器的输出端与驱动开关管相串联，驱动开关管分别和 下激磁线圈和上激磁线圈相连接，下激磁线圈和上激磁线圈均连接至交流直流变 换器主电路输出端，交直流变换器的控制输入端与全局控制器相连接，交直流变 换器的主电路输入端则直接和交流电网相连接。
所述的同步系统检测点焊焊枪的工作起始电流，为电磁搅拌作用提供同步控 制信号；
5所述的同步系统检测激磁线圈工作电流，为电力变换装置提供激磁线圈过流 保护信号，以封锁电力变换装置的驱动输出实现保护功能。
所述的电力变换装置用于电力调整和转换，获得不同大小的激磁电流，并对 激磁电流工作频率和占空比进行调整和控制。
所述的下激磁线圈和上激磁线圈的结构特征为该线圈为带有铁芯的螺线管 电磁线圈，为电磁搅拌作用提供合适的交变磁场。
所述的点焊焊枪用于实现压紧工件并提供适当的点焊焊接电流。
本发明通过以下方式进行工作电阻点焊焊枪根据点焊工艺参数进行工作。 在基本点焊系统启动时，同步系统开始检测焊枪中的焊接电流，在检测到焊接电 流时就启动定时，当达到事先设定好的搅拌启动时间，电力变换装置就开始工作。 电力变换装置的工作过程是首先，电力变换装置中的交直流变换器将交流输入 变换为直流输出Ud, Ud作为电磁搅拌器(激磁线圈)的驱动电压源，并且Ud连 续可调，这样可以获得不同大小的励磁电流，也就是获得不同磁场强度的外部工 作磁场。Ud的调整是通过交直流变换器进行的，交直流变换器采用TI 2407ADSP 来实现整流的P丽控制。在获得激磁电压源Ud后，然后通过以DRV101芯片为控 制核心的激磁控制驱动器对电磁搅拌器(激磁线圈)的功率驱动元件进行控制， 获得一定频率和占空比的方波励磁电流，所述的激磁控制驱动器可以改变和调整 激磁电流的频率和占空比，进而获得所需的交变磁场。外部工作磁场的调整，既 可以根据不同材料所需搅拌作用的不同进行调整，又可以根据需要，能够在点焊 过程中实现激磁强度和激磁交变频率与占空比的实时调整。所述的激磁驱动控制 器还包括有保护电路部分，以防止激磁线圈被烧毁，延时控制单元可以满足不同 电磁搅拌工艺的特殊需要。
与现有技术相比，本发明磁控系统独立于电阻点焊系统，其应用将不受点焊 控制器类型(交流或者直流)的限制；磁控参数在线可调，即励磁电流大小、频 率和占空比可任意调整和控制，可以获得不同励磁模式和强度的交变磁场，在控 制模块不变的条件下，还可以通过更换功率元件进行扩容，以适应不同点焊工艺 和焊接材料的要求；由于磁控系统采用变频方式，使设计的磁控系统体积小、可 靠性高，并且磁场作用模式和强度可调精度更高；同时，可大大提高系统功率因 数，降低了损耗和对电网所产生的谐波，系统节能、环保；整个控制系统实现全 数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性，并降低了系统维护的难度。


图l为本发明结构示意图。
图2为交直流整流变换器结构示意图。
图3为激磁控制驱动器结构示意图。
图4为实施例效果示意其中a)激磁电流2. lA/300Hz， b)激磁电流2. lA/100Hz， c)激磁电流 2. lA/50Hz， d)激磁电流2. lA/10Hz， e)激磁电流900raA/10Hz， f)激磁电流 900mA/50Hz。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括同步系统l、电力变换装置2、下激磁线圈8、 上激磁线圈IO、点焊焊枪ll、第一电流传感器12和第二电流传感器13。其中 同步系统1的输入端通过第一电流传感器12和第二电流传感器13分别与电阻点 焊焊枪11和下激磁线圈8、上激磁线圈10相连接，同步系统1的输出端与电力 变换装置2的输入端相连接以传输电磁搅拌同步控制信号和激磁线圈保护信号， 下激磁线圈8和上激磁线圈10分别固定设置于电阻点焊焊枪11的下电极7和上 电极9上，下激磁线圈8和上激磁线圈10的驱动输入端和接地端分别与电力变 换装置2的输出端并联。
所述的同步系统1依次检测点焊焊枪11的工作起始电流、下激磁线圈8、 上激磁线圈10的工作电流，为电磁搅拌作用提供同步控制信号并为电力变换装 置2提供激磁线圈过流保护信号，以封锁电力变换装置2的驱动输出实现保护功 能。
所述的电力变换装置2用于电力调整和转换，获得不同大小的激磁电流，并 对激磁电流工作频率和占空比进行调整和控制。
所述的下激磁线圈8和上激磁线圈10为带有铁芯的螺线管电磁线圈，为电 磁搅拌作用提供合适的交变磁场。
所述的点焊焊枪11用于实现压紧工件并提供适当的点焊焊接电流。
如图1和图3所示，所述的电力变换装置2包括全局控制器3、交直流变
7换器4和激磁控制驱动器6，其中全局控制器3和同步系统1通过同步系统1
输出信号线对应连接，激磁控制驱动器6的控制输入端通过全局控制器3提供的 控制信号线与全局控制器3相连接，激磁控制驱动器6的输出端通过驱动开关管 24分别和下激磁线圈8和上激磁线圈10相连接，下激磁线圈8和上激磁线圈10 通过导线和交直流变换器4主电路输出端相连接，交直流变换器4的控制输入端 与全局控制器3相连接，交直流变换器4的主电路输入端则直接和交流电网5相 连接。
如图2和图3所示，所述的交直流变换器4包括P丽驱动控制电路14和 整流桥主电路15。其中P職驱动控制电路14的输入端与全局控制器3相连接， 输出端与整流桥主电路15相连接，整流桥主电路15的输入端与交流电网相连接， 输出端与下激磁线圈8和上激磁线圈10的接线端子23相连接。
如图3所示，所述的激磁控制驱动器6包括保护电路单元16、逻辑控制 单元17、保护标志端18、输出控制单元19、 P丽控制单元20、延时单元21。其 中保护电路单元16的输入端与外接保护输入端子连接，保护电路单元16的保 护输出端通过开关管Q与保护输出标志端18相连接，逻辑控制单元17的输入端 分别与保护电路单元16的逻辑输出信号线和全局控制器3输出控制信号线相连 接，逻辑控制单元17的输出信号线与P丽控制单元20的输入端相连接，P丽控 制单元20的输出信号线与输出控制单元19相连接，延时单元21的输入与全局 控制器3输出控制信号线连接，延时单元21的输出与输出控制单元19相连接， 输出控制单元19的输出端经功率驱动管24串联后分别与下激磁线圈8和上激磁 线圈10相连接。
本实施例中点焊机根据事先设定的点焊工艺参数进行工作。在基本点焊焊枪 11启动时，本实施例中的同步系统1开始检测焊枪中的焊接电流，在检测到焊 接电流时就启动定时，当达到事先设定好的搅拌启动时间，同步系统l向电力变 换装置2发送搅拌启动指令，电力变换装置2就开始工作。电力变换装置2的工 作过程是
如图2所示，首先电力变换装置2中的交直流变换器4将交流输入变换为直 流输出Ud， Ud作为电磁搅拌器，即激磁线圈8和激磁线圈IO的驱动电压源，并 且Ud连续可调，这样可以获得不同大小的励磁电流，也就是获得不同磁场强度
8的外部工作磁场。Ud的调整是通过交直流变换器4进行的，交直流变换器4采 用TI 2407A DSP来实现整流的P丽控制。如图3所示，在获得激磁电压源Ud后，通过以DRV101芯片为控制核心的激 磁控制驱动器6对激磁线圈8和激磁线圈10的功率驱动元件24进行控制，获得 一定频率和占空比的方波励磁电流，通过更换功率驱动元件24，还可以方便地 进行驱动电流的扩容。所述的激磁控制驱动器6可以改变和调整激磁电流的频率 和占空比，进而获得所需的交变磁场。外部工作磁场的调整，既可以根据不同材 料所需搅拌作用的不同进行调整，又可以根据需要，能够在点焊过程中实现激磁 强度和激磁交变频率与占空比的实时调整。所述的激磁控制驱动器6还包括有保 护电路部分，即图3中的保护电路单元16，以防止激磁线圈被烧毁，延时控制 单元，即图3中的延时控制单元21，可以满足不同焊电磁搅拌工艺的特殊需要。本实施例通过实验方法进行了验证，验证环境为单相交流点焊机 (380V/120kW)，基本点焊系统为单相交流点焊机。如图4所示，为上述实施例 测试结果，图中，CH1为激磁控制驱动器6的控制输入信号，CH2为激磁线圈电 流信号。本实施例能够在电阻点焊通电焊接阶段增大焊核的直径，在冷却结晶阶 段消除成份偏析和结晶裂纹、提高等轴晶数量、细化晶粒。由于在点焊过程中对 金属熔核的充分搅拌作用，因此，通过本实施例，可以实现采用相对较小的焯接 电流产生同样大小金属熔核的作用，并且提高焊点的综合机械性能。如果应用于 汽车焊装生产线，不仅可以提高汽车车身的连接强度，还能够节约电能消耗。
权利要求
1、一种磁控电阻点焊系统，其特征在于，包括同步系统、电力变换装置、下激磁线圈、上激磁线圈、点焊焊枪、第一电流传感器和第二电流传感器，其中同步系统的输入端通过第一电流传感器、第二电流传感器分别与电阻点焊焊枪和激磁线圈相连接，同步系统的输出端与电力变换装置的输入端相连接以传输电磁搅拌同步控制信号和激磁线圈保护信号，下激磁线圈和上激磁线圈分别固定设置于电阻点焊焊枪上，下激磁线圈和上激磁线圈的驱动输入端和接地端分别与电力变换装置的输出端并联。
2、 根据权利要求1所述的磁控电阻点焊系统，其特征是，所述的电力变换 装置包括交流直流变换器、激磁控制驱动器和全局控制器，其中全局控制器 和同步系统对应连接，激磁控制驱动器的控制输入端与全局控制器相连接，激磁 控制驱动器的输出端与驱动开关管相串联，驱动开关管分别和下激磁线圈和上激 磁线圈相连接，下激磁线圈和上激磁线圈均连接至交流直流变换器主电路输出 端，交流直流变换器的控制输入端与全局控制器相连接，交流直流变换器的主电 路输入端则直接和交流电网相连接。
3、 根据权利要求2所述的磁控电阻点悍系统，其特征是，所述的交直流变 换器包括P丽驱动控制电路和整流桥主电路，其中P丽驱动控制电路的输入 端与全局控制器相连接，P丽驱动控制电路的输出端与整流桥主电路相连接，整 流桥主电路的输入端与交流电网相连接，整流桥主电路的输出端分别与下激磁线 圈和上激磁线圈相连接。
4、 根据权利要求2所述的磁控电阻点焊系统，其特征是，所述的激磁控制 驱动器包括保护电路单元、逻辑控制单元、保护标志端、输出控制单元、P丽 控制单元和延时单元，其中保护电路单元的输入端与外接保护输入端子连接， 保护电路单元的保护输出端与保护输出标志端相连接，逻辑控制单元的输入端分 别与保护电路单元的逻辑输出信号线和全局控制器输出控制信号线相连接，逻辑 控制单元的输出信号线与P觀控制单元的输入端相连接，P丽控制单元的输出信号线与输出控制单元相连接，延时单元的输入与全局控制器输出控制信号线连 接，延时单元的输出与输出控制单元相连接，输出控制单元的输出端经功率驱动管串联后分别与下激磁线圈和上激磁线圈相连接。
5、根据权利要求1所述的磁控电阻点焊系统，其特征是，所述的下激磁线 圈和上激磁线圈为带有铁芯的螺线管电磁线圈，为电磁搅拌作用提供合适的交变 磁场。
全文摘要
一种电磁焊接技术领域的磁控电阻点焊系统，包括同步系统、电力变换装置、下激磁线圈、上激磁线圈、点焊焊枪和电流传感器，其中同步系统的输入端通过电流传感器分别与电阻点焊焊枪和激磁线圈相连接，同步系统的输出端与电力变换装置的输入端相连接以传输电磁搅拌同步控制信号和激磁线圈保护信号，下激磁线圈和上激磁线圈分别固定设置于电阻点焊焊枪上，下激磁线圈和上激磁线圈的驱动输入端和接地端分别与电力变换装置的输出端并联。本发明大大提高了系统功率因数，降低了损耗和对电网所产生的谐波，系统节能、环保；整个控制系统实现全数字化设计，大大提高了系统的可靠性、灵活性，并降低了系统维护的难度。
文档编号B23K11/11GK101628358SQ20091005633
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月13日 优先权日2009年8月13日
发明者李永兵, 李锐华, 来新民, 林忠钦, 陈关龙 申请人:上海交通大学