Matuschek精密電阻焊技術(shù)在小型零件加工領(lǐng)域的應(yīng)用

王宇航

(廈門(mén)宏發(fā)電聲股份有限公司，福建 廈門(mén) 618100)

0 前言

電阻焊原理是通過(guò)電極施加壓力，利用電流流過(guò)焊接區(qū)所產(chǎn)生的電阻熱加熱工件，使焊接部位達(dá)到局部熔化或高溫塑性狀態(tài)，通過(guò)熱和機(jī)械力的聯(lián)合作用完成連接的方法[1]。其核心是利用焦耳熱效應(yīng)，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中電阻焊具備以下的優(yōu)點(diǎn):①焊接時(shí)間短，一般100 ms以內(nèi)，能量集中，熱影響區(qū)?。虎诓僮骱?jiǎn)單，生產(chǎn)效率高。

目前精密電阻焊主要應(yīng)用于電子元器件制造和電子設(shè)備、儀器儀表和醫(yī)療設(shè)備等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中。隨著市場(chǎng)產(chǎn)品向著小型化、精密化方向的發(fā)展，需要使用大量體積小、形狀不規(guī)則的零件，在加工這些零件的過(guò)程中對(duì)精密電阻焊的需求越發(fā)迫切。由于微型件幾何尺寸較小，容易造成焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、零件變形、熔核不穩(wěn)定、焊接成品率低等問(wèn)題[2-3]。電阻焊是復(fù)雜的電、熱、力等因素綜合作用的結(jié)果，為了更好地滿足小型化元器件加工的應(yīng)用場(chǎng)景，直流逆變電源電阻焊機(jī)成為了行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。

德國(guó)馬圖塞克測(cè)量技術(shù)有限公司(Matuschek Me?technik GmbH)成立于1985年，是一家專注生產(chǎn)電阻焊設(shè)備及相關(guān)部件的企業(yè)，以下稱為Matuschek公司。該公司于1987年開(kāi)發(fā)出了第一代具有內(nèi)容過(guò)程監(jiān)控功能的交流焊接控制器，于1995年開(kāi)發(fā)出了20 kHz的高頻直流逆變技術(shù)，2008年首次開(kāi)發(fā)出鋁材料點(diǎn)焊自適應(yīng)焊接系統(tǒng)，2019年開(kāi)發(fā)出精密電阻焊自動(dòng)自適應(yīng)系統(tǒng)，使其成為了全球精密電阻焊技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

1 Matuschek精密電阻焊技術(shù)

Matuschek公司提供包括焊接電源控制器(中頻直流逆變，高頻直流逆變)、線磁性焊接機(jī)頭和軟件控制系統(tǒng)的全面解決方案。Matuschek公司的精密電阻焊設(shè)備目前被廣泛應(yīng)用于歐美的汽車零部件加工、電子電氣工業(yè)、醫(yī)療器材生產(chǎn)等行業(yè)。文中將通過(guò)對(duì)制造過(guò)程的技術(shù)應(yīng)用來(lái)闡述Matuschek公司的精密電阻焊的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其是用于加工制造精密零部件所展現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

Matuschek的SPATZ+系列電源控制器包括中頻直流逆變電源MFDC(1 000 Hz)和高頻直流逆變電源HFDC(20 kHz)兩類。與工頻交流電源電阻焊機(jī)相比，直流逆變電源電阻焊機(jī)具有更高的焊接控制精度，更快的焊接速度，更小的變壓器體積，提高了焊接工藝的穩(wěn)定性，極大地改善了最終的焊接質(zhì)量[4]。

Matuschek公司焊機(jī)所有電源都具備電壓、電流、電極位移(數(shù)字量/模擬量)、壓力的測(cè)量信號(hào)輸入功能。與相應(yīng)傳感器配合可實(shí)現(xiàn)恒電流(CCC)，恒電壓(CVC)，恒功率(CPC)的控制模式。而且電源具備數(shù)據(jù)記錄功能，可記錄最后100 000個(gè)焊接數(shù)據(jù)，1 000條曲線用于質(zhì)量監(jiān)控，100個(gè)報(bào)錯(cuò)記錄以便故障分析。

Matuschek的SPATZ+LSK 焊接機(jī)頭采用電磁直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理，避免了滾珠絲桿主軸系統(tǒng)中典型的摩擦自鎖行為,運(yùn)動(dòng)時(shí)無(wú)摩擦與噪音。可實(shí)現(xiàn)接觸速度5～20 mm/s，最大運(yùn)行速度800 mm/s，最大加速度200 m/s2。與控制系統(tǒng)配合，焊接機(jī)頭可實(shí)現(xiàn)壓力控制、位置控制與焊接熔深控制。根據(jù)焊接壓力需求大小的不同，Matuschek公司推出了不同的LSK焊接機(jī)頭型號(hào)，可實(shí)現(xiàn)焊接壓力2～1 000 N，熔深控制精度1 μm(LSK80，0.1 μm )，運(yùn)行速度和加速度的較大范圍的焊接場(chǎng)景應(yīng)用。

SPATZ系列控制軟件可完成所有設(shè)備參數(shù)、焊接工藝參數(shù)的設(shè)置，以及參數(shù)的可視化管理。其中SPATZ Studio通過(guò)USB與SPATZ+焊接控制器通信，可對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行在線編程和分析。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接電流、電極壓力、焊接功率等焊接過(guò)程曲線的記錄與調(diào)用。而SPATZ StudioNET軟件可以實(shí)現(xiàn)與多達(dá)100個(gè)焊接控制器進(jìn)行通訊。提供了比SPATZ Studio軟件更多的附加管理工具，與SPATZ Studio軟件一樣，它允許完整的在線功能，允許焊接數(shù)據(jù)在服務(wù)器中永久保存，在生產(chǎn)線投產(chǎn)時(shí)允許焊接程序快速批量導(dǎo)入。SPATZ 多功能軟件系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程全面質(zhì)量監(jiān)控與分析的重要軟件，在設(shè)備安裝之后可即刻實(shí)現(xiàn)焊接系統(tǒng)的數(shù)字化控制和數(shù)據(jù)的可追溯性。軟件系統(tǒng)的焊接參數(shù)設(shè)置界面如圖1所示。

圖1 SPATZ 軟件焊接參數(shù)輸入界面

除了Studio軟件外，SPATZQS+軟件是保證高質(zhì)量精密電阻焊頭的另一重要工具，它可以對(duì)SPATZ+焊接系統(tǒng)記錄的所有焊接工藝參數(shù)生成帶有時(shí)間和質(zhì)量控制圖的日志，質(zhì)量控制圖包含統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制所需要的所有關(guān)鍵特征，這些數(shù)據(jù)被允許進(jìn)行離線分析。SPATZQS+軟件還具有篩選與過(guò)濾功能，可以實(shí)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)、焊接程序等的篩選與查看。

2 Matuschek精密電阻焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

以繼電器產(chǎn)品的制造過(guò)程為例，繼電器中大量零部件采用銅及銅合金材料，而對(duì)于較大銅材料零件之間的連接一般采用中頻直流逆變電源的電阻釬焊。采用Matuschek的高頻直流逆變電源H9000與日本知名電阻焊企業(yè)M公司的中頻直流逆變焊接電源和高頻直流逆變電源進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，H9000的高頻直流逆變電源電流調(diào)節(jié)精度更高(高一個(gè)數(shù)量級(jí))，大參數(shù)條件下輸出穩(wěn)定性更好，且可直接實(shí)現(xiàn)焊接電流、電壓和功率的閉環(huán)控制。焊后效果方面，焊接強(qiáng)度的穩(wěn)定性更好且電極壽命更高。

通過(guò)對(duì)比M公司中頻直流逆變電源、高頻直流逆變電源與Matuschek公司H9000(高頻直流逆變電源)焊接電源在加工繼電器某內(nèi)部精密零件時(shí)電流的輸出精度，可以看出M公司的中頻直流逆變電源電流輸出精度極差為0.07 kA，M公司的高頻直流逆變電源輸出精度極差為0.03 kA，而在同樣負(fù)載條件下，H9000電源輸出精度極差為0.01 kA，更小的電流輸出極差意味著更好地電源輸出穩(wěn)定性。特別是在精密電阻焊過(guò)程中，因?yàn)槎鄶?shù)為大電流，短時(shí)間的焊接過(guò)程，更穩(wěn)定的電源輸出直接影響到焊接強(qiáng)度和零件焊接的一致性，如圖2所示。

圖2 不同焊接電源的電流輸出精度對(duì)比

進(jìn)一步對(duì)比不同焊接電源的負(fù)載輸出波形曲線，在負(fù)載條件下，曲線緩升時(shí)間均設(shè)為0 ms。M公司的中頻直流逆變焊接電源需要約15 ms才能爬升至高值，且高值高于設(shè)定電流又需要約15 ms才能由高值降至設(shè)定，并穩(wěn)定下來(lái)，整體電流穩(wěn)定時(shí)間需要約30 ms。而且在負(fù)載條件下，輸出曲線波動(dòng)劇烈，在3.5 kA的設(shè)定電流下，波動(dòng)范圍達(dá)1 kA，如圖3所示。

圖3 M公司的中頻直流逆變電源輸出電流波形曲線

而對(duì)于繼電器中更為精密的銅材料零件或者異種材料間的連接，如觸點(diǎn)、簧片、支架等零件的焊接，H9000焊接電源+LSK線磁性機(jī)頭的組合能夠取得更加理想的焊接效果。

與M公司中頻直流逆變電源相比較，H9000在相同的負(fù)載條件下，只需要約3 ms即可爬升到高值，再迅速回到穩(wěn)定值，輸出曲線平滑，在4.5 kA的設(shè)定電流下，波動(dòng)范圍只有0.1 kA，具體輸出波形如圖4所示。

圖4 H9000電源輸出電流波形曲線

焊機(jī)電流輸出曲線的波動(dòng)會(huì)直接影響焊接效果，分別采用中頻直流逆變電源與高頻直流逆變電源焊接某一零件，通過(guò)對(duì)焊接后零件的質(zhì)量分析，發(fā)現(xiàn)中頻直流逆變電源在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更大的熱影響區(qū)。通過(guò)測(cè)量焊接后零件的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)焊接強(qiáng)度值也存在較大差異，且一些金屬部件容易出現(xiàn)氧化變色的現(xiàn)象。波形的上升時(shí)間會(huì)直接影響到某些精密零部件的焊接質(zhì)量，這也是很多精密觸點(diǎn)焊接會(huì)采用晶體管式電源而不是中頻直流逆變電源的原因。H9000電源在波形上升時(shí)間方面與晶體管式電源相近，而在穩(wěn)定性和可控性方面有更大的優(yōu)勢(shì)，所以在精密零部件的電阻焊方面會(huì)有更大的應(yīng)用潛力。迄今為止，Matuschek焊機(jī)已經(jīng)在不同系列產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用，具體工序包括總裝焊、觸點(diǎn)點(diǎn)焊、簧片點(diǎn)焊和支架焊接等應(yīng)用場(chǎng)景。

3 Matuschek精密電阻焊技術(shù)在自動(dòng)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用展望

與現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外精密電阻焊設(shè)備相比較，Matuschek的直流逆變焊接控制器具備更高的控制精度，可保證輸出電流的穩(wěn)定性，使焊接質(zhì)量的可靠性與一致性提升，而且焊接控制器可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的恒流、恒壓、恒功率、壓力和位移及自適應(yīng)的復(fù)雜控制模式，在自動(dòng)化的應(yīng)用場(chǎng)景下更加有利于提高自動(dòng)化產(chǎn)線的可靠性與產(chǎn)品一致性。

焊接機(jī)頭方面，LSK系列線磁性焊接機(jī)頭采用電磁性直線驅(qū)動(dòng)，應(yīng)用場(chǎng)景包括自動(dòng)化的高速生產(chǎn)與節(jié)拍優(yōu)化，當(dāng)然也可用于高精度復(fù)雜化的手工焊接。線磁性機(jī)頭可以快速的進(jìn)行電極移動(dòng)定位和壓力建立，且結(jié)合獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)算法使電極具有“軟著陸”能力，即使是敏感電極也可以在不需要減震器的情況下使用，避免電極損壞。而且電極壓力可以設(shè)定“動(dòng)態(tài)”變化，即可在一個(gè)焊接程序內(nèi)根據(jù)需求設(shè)計(jì)定義電極壓力變化曲線。另外機(jī)頭內(nèi)置的高精度位置測(cè)量系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)分辨率1 μm)配合焊接控制器的快速響應(yīng)功能(焊接反饋?lái)憫?yīng)時(shí)間25 μs)，可確保穩(wěn)定的高質(zhì)量焊接結(jié)果輸出。線磁性機(jī)頭由于摩擦力極小，焊接機(jī)頭隨動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，與直流逆變焊接控制器配合使用，可實(shí)現(xiàn)精密電阻焊的恒熔深控制，這種恒熔深控制可以作為自適應(yīng)系統(tǒng)的參照基準(zhǔn)。采用這種自適應(yīng)系統(tǒng)，可有效地消除零件公差變化，電極磨損、臟污和電極冷卻條件波動(dòng)等外部條件帶來(lái)的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，對(duì)于精密零件的自動(dòng)化焊接應(yīng)用有明顯的優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)際的小型零部件組裝自動(dòng)線生產(chǎn)過(guò)程中，采用Matuschek設(shè)備也可以顯著提高焊接自動(dòng)線的焊接穩(wěn)定性與工作效率，進(jìn)而節(jié)約自動(dòng)化零件的單件制造成本，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。焊接控制系統(tǒng)與整線PLC連接實(shí)現(xiàn)整機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)焊接單元的閉環(huán)控制，LSK線磁性機(jī)頭作為執(zhí)行單元可保證焊接質(zhì)量的重復(fù)精度。同時(shí)采用SPATZQS+焊接過(guò)程質(zhì)量控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程中的電流、電壓、功率、壓力和位移參數(shù)，并可以通過(guò)軟件控制系統(tǒng)設(shè)定控制上下限，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)定報(bào)警和控制信息，減少因外界異常帶來(lái)的連續(xù)廢品的產(chǎn)生。隨著德國(guó)工業(yè)4.0概念的提出，Matuschek公司也在物聯(lián)信息系統(tǒng)方面進(jìn)行了技術(shù)投入與開(kāi)發(fā)。單機(jī)方面，基于SPATZ StudioNET軟件可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面連接焊接控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)調(diào)用，并通過(guò)與PLC控制的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)端和工藝端的權(quán)限控制分離，即現(xiàn)場(chǎng)的操作人員調(diào)用參數(shù)進(jìn)行焊接操作，而工藝參數(shù)的設(shè)置與分析均可遠(yuǎn)程由工藝技術(shù)人員進(jìn)行。另外通過(guò)與局域網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)焊接控制器的連接，可同時(shí)連接100臺(tái)控制器，并建立遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)據(jù)化管理。在信息數(shù)據(jù)化方面，焊接機(jī)頭及控制器傳感器可收集焊接過(guò)程參數(shù)，用于過(guò)程管理控制分析及設(shè)備維修狀態(tài)分析。而公司于2012年開(kāi)發(fā)出的MDB-自適應(yīng)焊接數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)自開(kāi)發(fā)后已成功的應(yīng)用于汽車行業(yè)，通過(guò)將已建立自適應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用于不同的產(chǎn)線甚至工廠,可快速的實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)線乃至新工廠的調(diào)試投產(chǎn)，可節(jié)約80%以上的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間和60%以上的樣品破壞性檢測(cè)費(fèi)用。

這一系列的自動(dòng)化和智能化技術(shù)開(kāi)發(fā)將極大地推動(dòng)焊接技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景特別是電子工業(yè)方面的自動(dòng)化和智能化發(fā)展。圖5是實(shí)現(xiàn)SPATEZ StudioNET軟件群控功能的連接示意圖。

圖5 SPATZ Studio NET的遠(yuǎn)程連接功能與群控系統(tǒng)示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)隨著電子工業(yè)向小型化、低功耗方面發(fā)展，直流逆變電阻焊與工頻交流電阻焊相比，具有更高的焊接控制精度和焊接質(zhì)量，更快的焊接速度，適應(yīng)材料范圍廣，既可以降低生產(chǎn)成本，又達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

(2)高頻直流逆變電源控制器搭配的線磁性焊接機(jī)頭，相較于其它同類型產(chǎn)品在精密電阻焊領(lǐng)域具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在焊接輸出的可控性和穩(wěn)定性方面。

(3)SPATZ多功能軟件系統(tǒng)，使得焊接工作從開(kāi)始到結(jié)束的每一個(gè)步驟都被記錄，是焊接工藝人員進(jìn)行數(shù)據(jù)批量處理、焊接參數(shù)優(yōu)化、焊接質(zhì)量管理的重要輔助軟件。

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(4)Matuschek公司的產(chǎn)品在數(shù)據(jù)化，網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行的技術(shù)開(kāi)發(fā)，將會(huì)推動(dòng)精密電阻焊技術(shù)更好的應(yīng)用于工業(yè)的自動(dòng)化，智能化進(jìn)程。