摘要：比较了传统式与逆变式电容放电螺柱焊机的结构特点与性能。对逆变式电容放电螺柱焊机的主电路、控制电路和充放电回路进行了仔细的分析，并介绍了焊机的主要性能参数及适用范围。  

关键词：逆变；电容放电；螺柱焊机  

电容放电螺柱焊是螺柱焊接中的一个大类，其特点是焊接过程短（＜5ms），热影响区小（母材熔深约0.1mm），生产率高，焊缝质量好，适用于直径≤8mm的碳钢、不锈钢以及铝、铜等材料的螺柱焊接。这种焊接方法依靠储能电容器提供能量，通过焊枪操作，将特殊设计的螺钉在极短的时间内焊接在板材上。完成这一过程的焊接设备就是电容放电螺柱焊机。它由焊接电源、焊枪、焊接电缆、接地钳等构成。传统的焊接电源原理框图见图（1）。主回路变压器T1起隔离和变换电压的作用。随着储能电容器制作水平和材料质量的提高，其容量/体积比增大，隔离变压器T1在焊接电源中占的体积重量增加，为此，引入逆变技术研制新型逆变电容放电螺柱焊机可有效降低焊接电源重量，缩小体积，减少制作成本。  

图（1）传统式电容放电螺柱焊机储能电源原理框图  

一、逆变式电容放电螺柱焊机  

逆变式放电螺柱焊机由逆变式储能电源、接触式焊枪、焊接电缆、接地钳等构成，焊接方式为接触式。接触式焊枪结构简单、小巧灵活、调整方便、价格较低。逆变式储能电源原理框图见图（2）。它由主回路和控制回路两部分组成。其主回路包含整流、滤波、逆变、变压、二次整流、滤波、储能、放电开关等环节。输入电压AC220V，经整流桥ZQ整流，LC组成的Π型滤波器滤波约为DC300V，逆变器采用双管正激变换电路，这是一种单端变换电路，具有变压器不易饱和、驱动简单的特点，主开关管VT1 、VT2采用功率MOS管，在控制线路作用下，将直流电源变为100KHz的交流电输入隔离变压器T1。VT1、VT2导通时，输入电压加至变压器初级绕组N1，副边绕组N2感应出相应值电压，此电压通过二极管D1整流向储能电容C3充电；VT1、VT2截止时，电抗器L2储存的能量经二极管D2整流向C3继续充电。设隔离变压器T1原边电压为V1，储能电容C3最高充电电压为VO，则VO/V1=N2/N1· TON/T，式中T为逆变周期，TON为VT1、VT2导通时间。本机设计最高工作电压VO=200V，要求储能电容C3充电过程保持线性，而TON/T≤0.5，因此，N2＞N1，T1为升压变压器。T1工作频率100KHZ，体积很小，重量仅0.15Kg。可控硅SCR2为放电开关，在焊枪控制下触发，储能电容C3向螺柱和工件放电，使两者完成焊接过程。二极管V3起箝位作用，防止放电回路的电感在焊接过程中储存的能量对储能电容器C3反向充电。  

图（2）逆变式电容放电螺柱焊机储能电源原理框图  

控制回路由逆变控制、充电控制、放电触发、放电闭锁几部分构成。控制电路由SPS构成的+15V、+12V供电，稳定性好。逆变控制电路的核心是3845集成电路，其线路见图（3）。3845是一种高性能的单端输出电流型PWM控制器，外接元件少，装配简单，成本低廉。U1的工作频率由R3，C2决定，工作频率f=1.8/R3·C2。6脚输出100KHZ方波，通过光耦隔离元件U2、U3去控制VT1、VT2通断，2脚输入控制电平，控制电平为“1”时，6脚为“0”，VT1、VT2断开，充电停止。后述控制电路就是通过这个电平控制充电工作的。3脚是反馈端，输入R7上的电流信号，可以控制充电电流。图（4）为储能电容C3充电从0V至200V电压实拍波形，从线性度反映控制充电电流效果较好。  

图（3）逆变控制电路原理图  

图（4）  

充电控制电路由运放V1构成的比较器组成。见图（5）。比较器V1的同向端（+）输入储能电容器的充电电压V0，反向端（-）输入控制电压。通过电位器W调节控制电压，可以控制电容器充电电压在40-200V范围内连续变化。充电电压V0未达设定值时，比较器V1输出0V，面板上的充电指示灯亮，表示充电正在进行。充电电压V0达到设定值时，V1输出+15V，待焊指示灯亮，表示充电结束，可以焊接。同时控制信号A控制逆变电路停止充电，并解除放电触发电路闭锁，准备焊接。  

图（5）充电控制电路原理图  

图（6）放电触发电路原理图  

放电触发电路见图（6）。它的功能是触发放电可控硅，同时闭锁充电回路。线路由时基电路、与非门等构成。图（6）中A端信号取自图（5）比较器输出端。储能电容器电压充至给定值，A=“1”。按下焊枪按钮焊接，时基电路2脚得到负脉冲，3脚输出宽度约500ms正脉冲，一是闭锁充电回路，二是延时触发放电可控硅，延时时间约20ms，以确保放电回路焊接时，充电回路可靠关闭。放电可控硅触发电源由自身阳极电压提供，即电容器充电电压，线路简单。设计时要考虑在焊机最低工作电压时，也要由足够的触发电流保证放电可控硅触发。  

焊接结束后放电可控硅会继续导通一段时间，其长短由电容器容量和可控硅擎住电流决定，有一定的分散性。而再次充电前必须保证放电可控硅关断。放电闭锁电路具有这一检测功能，具体线路见图（7）。判别放电可控硅是否关断的最简单方法就是检测焊接回路是否断开。焊接后焊枪未提起，放电可控硅负极（即焊接电源正极）与地相接，焊接回路未断开，放电可控硅有可能继续导通。此时，P端接地，与非门U1C输出“1”。焊接后电容器电压V0为0V，比较器输出“1”，与非门U1A输出“1”，封锁充电回路。焊枪提起，焊接回路断开，U1C输出“0”，与非门U1A输出“0”，充电回路工作。比较器的作用在于电容器充有一定电压以后，其输出为“0”，焊枪即使接地，也不影响充电过程。  

图（7）放电闭锁电路原理图  

焊机参数：  
输入电源：AC 220V  
输出电压：DC 40～200V  
额定容量：2500J  
可焊螺柱：φ3～φ8（碳钢、不锈钢）φ3～φ6（铝、铜）  
焊接方式：接触式  
外形尺寸：180×350×420mm（B×H×L）  
重量（电源）：16kg  

二、 应用  

电容放电螺柱焊属于电弧焊，分间隙式、接触式和抽弧式三种焊接方式。由于焊接熔深小，常用于焊接薄件上的紧固件。在造船、建筑、汽车、锅炉、电气开关等行业都可使用。船舶制造中，各种房舱、油舱需焊接大量不同直径螺柱，以固定隔热材料。焊接位置平、立、仰均有。建筑工业与船舶制造相似，在金属结构的高层建筑中用于房间隔热材料紧固。锅炉工业中焊接管子上紧固隔热炉衬用销钉，电气工业中焊接固定电线、电缆用夹子或螺柱。汽车工业中焊接挡风板、紧固油管、气管、电线的夹头等。  

逆变式电容放电螺柱焊机与目前未采用逆变技术的同类焊机技术参数比较如下：  

焊机型号  
RSR-2500  
CD2300  
RSR-2500  
RSRJ-80  
输入电源（V）  
220 AC  
230/115 AC  
380/220 AC  
220 AC  
输出电压（V）  
40～200 DC  
60～220 DC  
20～155 DC  
44～190 DC  
额定储能量（J）  
2500  
2300  
2500  
1800  
可焊螺柱（mm）  
φ3～φ10  
φ2～φ10  
φ3～φ10  
φ2～φ10  
焊接方式  
接触式  
拉弧式，接触式  
间隙式，接触式  
接触式  
生产率（件/分）  
12～20  
取决螺柱直径  
8～20  
取决螺柱直径  
10  
20  
取决螺柱直径  
电源体积（B×H×L） （mm）  
180×280×420  
180×250×470  
370×500×620  
350×180×460  
电源重量  
16  
20  

30  
备注  
逆变技术  
可控硅技术  


（ 注：插图略 ）