一種儲能拉弧式螺柱焊機的製作方法

2023-06-25 04:02:51

專利名稱：一種儲能拉弧式螺柱焊機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種焊機，尤其涉及一種儲能拉弧式螺柱焊機，屬於作業運輸部中焊接
背景技術：
螺柱焊接就是將金屬螺柱或類似的其他金屬緊固件(栓、釘等)垂直焊接到另一工件(一般為板件)上去的焊接方法，螺柱焊接可以省去鑽孔攻絲代替螺紋連接或鉚接，二次世界大戰後螺柱焊接已廣泛地應用於汽車、造船、機車、航空等行業。已知的螺柱焊機有兩大類，一類是電容作為焊接動力的儲能式螺柱焊機，它的優點是可以用小電流如220V照明電，將電能快速儲藏於電容器中(J＝CV2/2，J為能量焦耳，C為電容量F，V為儲能電壓)，然後通過控制系統和焊槍藉助於螺柱自身的小凸點產生尖端放電，形成瞬間數千安培甚至上萬安培的電弧，使螺柱和母材之間的金屬迅速熔化，並在焊槍的彈壓力下將兩者連接在一起，形成焊接接頭，焊接過程僅1～3毫秒，不會引起金屬氧化變色，不會變形，但是由於熔化層非常淺，僅0.1mm，只適合於母材厚度不超過3mm並不受承載負荷的儀表、家電、裝飾品、櫥櫃不鏽鋼製品的螺柱焊接。如中國發明專利95119847.5，其發明名稱為《電容器貯能式螺柱焊機》(其公開號CN1157767A)；又如中國實用新型專利，其實用新型名稱為《電容緩衝儲能逆變式電弧螺柱焊機》(其公開號CN2640682Y)；再如成都華遠電器設備有限公司生產的RSR-1200、RSR-1600、RSR-2500電容貯能式螺柱焊機。
另一類是變壓器作為焊接動力的拉弧式螺柱焊機，它以弧焊整流器作為電源進行焊接，它的優點是可以在厚度超過3mm的板材上焊接8mm以上的承載型螺柱，這類焊機的電弧是通過焊槍將螺柱與母材短路並迅速提升而形成，所以焊接的電流比普通藥皮焊條電弧焊要大得多(A＝D×100，D為螺柱直徑)一般只少要數佰安培到數千安培，因此焊機的焊接變壓器和外電源容量必須足夠大，這樣勢必增大了產品的重量和體積，如一臺1200A螺柱焊機重達170公斤，3000A的焊機重量達370公斤，在現場移動十分困難，特別是建築業的高層施工中更加不便，同時要耗費大量的有色金屬，製造成本高昂，線路複雜，由於其需要三相電提供電源，對一般的市電220V不能直接使用，進一步增加了它的使用限制。如成都華遠電器設備有限公司生產的RSN-1200、RSN-1600、RSN-2500、RSN-3150電弧螺柱焊機。
超級電容器(Supercapacitor或Ultracapacitor)是20世紀60年代發展起來的一種新型法拉級超大容量的儲能單元，80年代進入了商業應用規模，它採用表面積很大的多孔性炭和具有準電容特性的RuO2-XH2O按一定比例做成的電極材料，使用38％硫酸或膠體高分子聚合物作為電解質，使用多孔性的聚乙烯/聚丙烯膜作為隔膜，其厚度為0.02mm，在兩點之間夾上隔膜，以此組成基片，再由基片組裝成超級電容器。它具有很高的功率密度、極長的充放電循環壽命、非常短的充電時間，並且瞬間可以釋放數千安培甚至短路都不會損壞，儲存壽命極長及可靠性高的優點。已經在機車、城市公交車、計算機、UPS系統及裝甲車上投入使用，並且其應用領域在不斷地延伸。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述的技術現狀而提供一種體積小、重量輕、適合焊接母材超過3毫米承載型螺柱直徑超過8毫米的儲能拉弧式螺柱焊機。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為該儲能拉弧式螺柱焊機，其包括機殼、變壓器、控制面板、焊槍及由電器元件構成的內部電路，內部電路包括焊槍電路、整流充電電路、放電電路、控制模塊及儲能裝置，其特徵在於前述的放電電路包括第一繼電器的常閉觸點，前述的儲能裝置採用超級電容器，該超級電容器與前述的整流充電電路組成充電迴路，該超級電容器與放電電路、焊槍、螺柱及母材組成焊接放電迴路，控制模塊分別與整流充電電路及超級電容器組成控制迴路，並且內部電路還包括先導放電電路，該先導放電電路與前述第一繼電器的常閉觸點並聯連接，其包括第二限流電阻和第三繼電器的第一常閉觸點。
進一步，所述的超級電容器並聯一個由第二繼電器和穩壓二級管組成的保護電路，所述的整流充電電路包括受控於第二繼電器的常閉觸點、固態繼電器、整流橋及第一限流電阻，整流橋的第一輸入端上連接有常閉觸點，第二輸入端上串聯有第一限流電阻和固態繼電器，整流橋的第一輸出端與超級電容器的負極連接，整流橋的第二輸出端與超級電容器的正極連接。整流充電電路還可以採用現有技術中常用的電路連接方式替代。
所述的焊槍電路包括焊槍整流橋和第三繼電器的第二常閉觸點。
所述的超級電容器其額定電壓優選為60～90伏，額定電流1000～3000安培。
進一步，所述的控制模塊具體可以包括穩壓電路、用於控制超級電容器電壓的電壓反饋電路及用於控制充電速度的比例式脈衝調節電路。
進一步，所述的電壓反饋電路可以包括繼電器、三級管、第一調節電位器、光電耦合管、電壓選擇開關及至少兩個並聯的電壓傳感元件組成。
進一步，所述的比例式脈衝調節電路包括時間集成塊和第二調節電位器。
與現有技術相比，本發明的優點在於採用了超級電容器作為儲能裝置後，能將小容量電流甚至市電迅速儲存在超級電容器中，然後通過控制系統和焊槍能對電弧的電流和時間進行控制，使得焊件的熔化層更深，從而達到螺柱焊接的目的，焊接後，螺柱與母材的斷面顯示焊縫質量好。
相對於傳統的儲能式螺柱焊機，本發明能焊接超過3毫米母材及承載型直徑超過8毫米的螺柱。
相對於現有的以變壓器為動力的拉弧式螺柱焊機，本發明用電不局限於三相電源，一般的市售照明電220V就可以直接使用；電壓降不會影響焊接質量；由於放電迅速，焊接電流上升速度快，焊縫質量好；根據需要可以外接電容，來實現焊接更大的螺柱；由於取消了龐大的焊接變壓器，減小了重量和體積，降低了製造成本；針對M6～M10的螺柱焊接可以不需要保護氣體或瓷環，減少焊接成本；不需要電抗器，電弧穩定性好，焊接時耗能少；比例式調壓充電對電網無影響；工作電壓能全過程顯示，便於控制，並有重量輕，體積小，便於現場移動等優點。


圖1為本發明實施例整體電路圖。
圖2為圖1中控制模塊電路圖。
圖3為本發明實施例運行流程框圖。
圖4為本發明實施例程控接線圖。
圖5為本發明實施例控制面板結構示意圖。
圖6為本發明實施例電器布置示意圖。
圖7為本發明實施例各參數變化曲線圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例參考圖1，本實施例中的儲能拉弧式螺柱焊機包括機殼200、焊槍6、變壓器DB、控制面板201及由電器元件構成的內部電路，內部電路包括焊槍電路5、整流充電電路1、放電電路3、保護電路4、先導放電電路31、控制模塊2及超級電容器C。
焊槍電路5包括整流橋WD2和第三繼電器CJX2的第一常閉觸點CJX2-1，放電電路3包括第一繼電器CJ20的第一常閉觸點CJ20-1。
整流充電電路(1)包括受控於第二繼電器CJX1的常閉觸點CJX1-1、固態繼電器SSR、整流橋WD1及第一限流電阻R1，整流橋WD1的第一輸入端a上連接有常閉觸點CJX1-1，第二輸入端b上串聯有第一限流電阻R1和固態繼電器SSR，整流橋WD1的第一輸出端c與超級電容器C的負極連接，整流橋WD1的第二輸出端d與超級電容器C的正極連接。
超級電容器C與整流充電電路1組成充電迴路，超級電容器C與放電電路3、焊槍6、螺柱7及母材8組成焊接放電迴路，控制模塊2分別與整流充電電路1及超級電容器C組成控制迴路。其中變壓器DB採用220V、380V兩用的降壓隔離變壓器，輸出電壓為120V、15V二檔，前者作為充電電源，後者作為控制電源，焊槍電路5與焊槍6的電磁線圈10組成焊槍提升迴路。
保護電路4與超級電容器C並聯，保護電路4由第二繼電器CJX1和穩壓二級管ZD組成。先導放電電路31與第一繼電器CJ20的常閉觸點CJ20-1並聯連接，先導放電電路31由第二限流電阻R7和第三繼電器CJX2的第一常閉觸點CJX2-1組成。
超級電容器C、焊槍6、螺柱7及母材8組成焊接放電迴路，焊槍電路5和電磁線圈10組成焊槍提升迴路，先導放電電路31與焊槍提升迴路同步進行，並通過螺柱7的提升，產生一個小電弧，該電弧具有兩個作用，第一，清除母材上的鏽汙；第二，為下一步引燃主電弧做準備，這樣的先導放電電路31可保證主電弧百分百的引燃。超級電容器C的充電與截止是通過由控制模塊2控制的固態繼電器SSR來實現的。超級電容器C的過壓保護是通過第二繼電器CJX1的常閉觸點CJX1-1來實現。
參考圖2，控制模塊2包括穩壓電路21、用於控制超級電容器C電壓的電壓反饋電路22及用於控制充電速度的比例式脈衝調節電路23。電壓反饋電路22由繼電器JRC、三級管D1、第一調節電位器W1、光電耦合管D2、電壓選擇開關K及五個並聯的電壓傳感元件E1、E2、E3、E4、E5組成。比例式脈衝調節電路23包括時間集成塊IC2和第二調節電位器W2，比例式脈衝調節電路23中的時間集成塊IC2的輸出端與固態繼電器SSR的信號輸入端連接，比例式脈衝調節電路23中的第二調節電位器W2可實現1～49周波脈衝信號。
本實施例中的超級電容器C採用容量20法拉、額定電壓為70V、放電電流為1500A，該超級電容器C從0伏充到正常工作電壓70V，僅需30秒，從50V充到70V只需7秒(焊接一隻M12的螺柱一般電壓降為15～20V)。根據實際生產需要超級電容器C的容量可以隨著焊接螺柱的直徑大小而選擇，直徑越大，所需超級電容器C的容量也更大，額定電壓一般選擇範圍為60～90伏。實踐證明這樣的充電速度可以滿足一般螺柱焊接生產率的需要。充電脈衝由時間集成塊IC2組成的振蕩器來完成，當時間集成塊IC2輸出高電平時，固態繼電器SSR的3、4腳之間有電，固態繼電器SSR的1、2腳呈導通狀態，與其連接的120V交流電被送到整流充電電路1的整流橋WD1，使超級電容器C迅速充電，當超級電容器C上的電壓達到設定電壓值時，與超級電容器C正極相連的穩壓二級管ZD導通，並通過光電耦合管D2將超級電容器C上的信號反饋到三極體D1的基極，使三極體D1導通，繼電器JRC有電，使其常閉觸點JRC-1脫開，固態繼電器SSR上3腳成低電平，1、2腳呈截止狀態，超級電容器C停止充電。第一調節電位器W1可以控制三極體D3的導通電壓，從而控制超級電容器C上的工作電壓(40～70V)。第二調節電位器W2調節時間集成塊IC2輸出的脈衝頻率(調節範圍為2～98％)。超級電容器C開始充電時應用低脈衝隨著超級電容器C電壓的上升，容抗增加，充電電流會減小，此時要逐漸加大脈衝(可通過調節焊機面板上的旋鈕)，當超級電容器C上的電壓上升到40V的時可用全脈衝充電。使電流維持在50A的恆定值。由於固態繼電器SSR具有高靈敏度、抗幹擾性強、噪聲小、壽命長的特點。實踐證明超級電容器C上的重複電壓誤差可控制在1V內，完全能滿足螺柱拉弧式焊接要求。
圖3為本發明實施例運行過程框圖。表示焊槍焊接一個螺柱經過的一個充電放電周期。
圖4為本發明實施例程控接線圖。其中AN1為控制面板充電開關，AN2為焊槍開關，JQX1和JQX2為小型繼電器，CJX1為第二繼電器，CJX2為第三繼電器，CJ20為第一繼電器，T1和T3為5秒時間繼電器，T2和T4為1秒時間繼電器，R1為充電限流電阻，即第一限流電阻，R7為引弧限流電阻，即第二限流電阻，C為超級電容器，LED為發光二極體指示燈，6為焊槍，10為電磁線圈。
圖5為本發明實施例中控制面板結構示意圖。
參考圖6為本發明實施例電器布置示意圖。其中，MO-2為焊接程控模塊，56為風機，MO-1為整流充電控制模塊，其包括整流充電電路1和控制模塊2。機殼200分為上下兩層，上層設有焊接程控模塊MO-1、整流充電控制模塊MO-2、第一繼電器CJ20、第二繼電器CJX1、第三繼電器CJX2及第一限流電阻R1、第二限流電阻R7和變壓器DB；下層設有超級電容器C；靠近第一限流電阻R1的一側設有用於散熱的風機56，。
參考圖7，縱坐標表示電流(A)、電壓(V)、提升高度(mm)及氣體體積(ml)的綜合圖，其中i1曲線表示引弧電流隨時間變化的曲線圖，i2曲線表示拉弧電流隨時間變化的曲線圖，u曲線表示超級電容的電壓隨時間變化的曲線圖，g曲線表示保護氣體體積隨時間變化的曲線圖，h曲線表示焊槍提升高度隨時間變化的曲線圖，橫坐標表示時間，具體如下0～S1為t1，表示保護氣體提前時間；S1～S2為t2，表示先導放電電流及焊槍提升提前時間；S1～S3為t3，表示先導放電電流及焊槍提升總時間；S2～S4為t4，表示主電弧放電時間；S3～S4為t5，表示有電頂鍛短路時間(其中f表示有電頂鍛)；S4～S5為t6，表示超級電容重複充電時間。
權利要求
1.一種儲能拉弧式螺柱焊機，其包括機殼(200)、變壓器(DB)、控制面板(201)、焊槍(6)及由電器元件構成的內部電路，內部電路包括焊槍電路(5)、整流充電電路(1)、放電電路(3)、控制模塊(2)及儲能裝置，其特徵在於前述的放電電路(3)包括第一繼電器(CJ20)的常閉觸點(CJ20-1)，前述的儲能裝置採用超級電容器(C)，該超級電容器(C)與前述的整流充電電路(1)組成充電迴路，該超級電容器(C)與放電電路(3)、焊槍(6)、螺柱(7)及母材(8)組成焊接放電迴路，控制模塊(2)分別與整流充電電路(1)及超級電容器(C)組成控制迴路，並且內部電路還包括先導放電電路(31)，該先導放電電路(31)與前述第一繼電器(CJ20)的常閉觸點(CJ20-1)並聯連接，其包括第二限流電阻(R7)和第三繼電器(CJX2)的第一常閉觸點(CJX2-1)。
2.根據權利要求1所述的儲能拉弧式螺柱焊機，其特徵在於所述的超級電容器(C)並聯一個由第二繼電器(CJX1)和穩壓二級管(ZD)組成的保護電路，所述的整流充電電路(1)包括受控於第二繼電器(CJX1)的常閉觸點(CJX1-1)、固態繼電器(SSR)、整流橋(WD1)及第一限流電阻(R1)，整流橋(WD1)的第一輸入端(a)上連接有常閉觸點(CJX1-1)，第二輸入端(b)上串聯有第一限流電阻(R1)和固態繼電器(SSR)，整流橋(WD1)的第一輸出端(c)與超級電容器(C)的負極連接，整流橋(WD1)的第二輸出端(d)與超級電容器(C)的正極連接。
3.根據權利要求1所述的儲能拉弧式螺柱焊機，其特徵在於所述的焊槍電路(5)包括焊槍整流橋(WD2)和第三繼電器(CJX2)的第二常閉觸點(CJX2-2)。
4.根據權利要求1所述的儲能拉弧式螺柱焊機，其特徵在於所述的超級電容器(C)其額定電壓為60～90伏，額定電流1000～3000安培。
5.根據權利要求1至4任一所述的儲能拉弧式螺柱焊機，其特徵在於所述的控制模塊(2)包括穩壓電路(21)、用於控制超級電容器(C)電壓的電壓反饋電路(22)及用於控制充電速度的比例式脈衝調節電路(23)。
6.根據權利要求5所述的儲能拉弧式螺柱焊機，其特徵在於所述的電壓反饋電路(22)包括繼電器(JRC)、三級管(D1)、第一調節電位器(W1)、光電耦合管(D2)、電壓選擇開關(K)及至少兩個並聯的電壓傳感元件(E1、E2、E3、E4、E5)組成。
7.根據權利要求5所述的儲能拉弧式螺柱焊機，其特徵在於所述的比例式脈衝調節電路(23)包括時間集成塊(IC2)和第二調節電位器(W2)。
全文摘要
一種儲能拉弧式螺柱焊機，其包括機殼、變壓器、控制面板、焊槍及由電器元件構成的內部電路，內部電路包括焊槍電路、整流充電電路、放電電路、控制模塊及儲能裝置，放電電路包括第一繼電器的常閉觸點，儲能裝置採用超級電容器，超級電容器與前述的整流充電電路組成充電迴路，超級電容器與放電電路、焊槍、螺柱及母材組成焊接放電迴路，控制模塊分別與整流充電電路及超級電容器組成控制迴路。與現有技術相比，本發明的優點在於體積小、重量輕；電壓降不會影響焊接質量；焊縫質量好；可以外接電容；製造成本低。
文檔編號B23K9/10GK1911585SQ20061005288
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月10日 優先權日2006年8月10日
發明者俞嶽皋 申請人:俞嶽皋