直流电阻点焊多模式反馈控制方法

摘要

一种直流电阻点焊多模式反馈控制方法，包括：1)在标准焊接条件下进行试焊，焊接电流大小为I0，建立焊点的模板动态电阻曲线R(t)，及其上公差带曲线Ru(t)和下公差带曲线Rl(t)，模板动态电阻曲线峰值为Rp，Rp对应时刻为Tp，峰值后模板动态电阻曲线下降量为Rd，最大通电时间为T5；2)对待焊材料进行焊接，初始焊接电流大小为I0，绘制实际动态电阻曲线R′(t)，实际动态电阻曲线峰值为R′p，R′p对应时刻为T′p，峰值后实际动态电阻曲线下降量为R′d；3)进入不同的控制模式，动态调节实际焊接电流和实际通电时间，本发明实时控制焊点质量和焊接过程，显著提升关键工位焊点质量，有效抑制焊接过程中的飞溅，提高焊接质量稳定性，节省了大量针对不同工况的工艺参数调整时间。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种焊接领域的技术，具体是一种直流电阻点焊多模式反馈控制方法。

背景技术

点焊过程是高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素的过程，点焊的热输入和焊点熔核的形成与诸多工艺参数有关，包括焊接电流、焊接时间、电极压力、电极材质及其端面尺寸、工件构型、焊件材质组合以及工件表面涂层镀层状态等。因此，在焊接过程中，往往需要根据上述工作情况的改变，来确定合适的工艺参数，以达到优良的焊接效果。这一过程对于操作人员的经验依赖程度大，通常需要多次尝试才能达到良好的效果。

发明内容

本发明针对现有电阻点接技术在加热过程控制中大多采用固定电流波形或固定热平衡因子，无法补偿异常焊接工况对焊接过程造成的影响等不足，提出一种直流电阻点焊多模式反馈控制方法，其实时控制焊点质量和焊接过程，显著提升关键工位焊点质量，有效抑制焊接过程中的飞溅，提高焊接质量稳定性，节省了大量针对不同工况的工艺参数调整时间。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括以下步骤：

1)在标准焊接条件下进行试焊，焊接电流大小为I₀，测量试焊过程中的动态电阻，建立焊点的模板动态电阻曲线R(t)，及其上公差带曲线R_u(t)和下公差带曲线R_l(t)，模板动态电阻曲线峰值为R_p，R_p对应时刻为T_p，峰值后模板动态电阻曲线下降量为R_d，最大通电时间为T₅；

2)对待焊材料进行焊接，初始焊接电流大小为I₀，测量实际焊接过程中的动态电阻，绘制实际动态电阻曲线R′(t)，实际动态电阻曲线峰值为R′_p，R′_p对应时刻为T′_p，峰值后实际动态电阻曲线下降量为R′_d；

3)对比T₀时刻以后的模板动态电阻曲线R(t)和实际动态电阻曲线R′(t)，进入不同的控制模式，动态调节实际焊接电流和实际通电时间。

所述的步骤3)具体包括以下步骤：

3.1)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)始终夹在模板动态电阻的上公差带曲线R_u(t)和下公差带曲线R_l(t)之间，则进入压力波动工况控制模式，小幅度调节焊接电流与通电时间；

3.2)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)从T₁时刻开始低于模板动态电阻的下公差带曲线R_l(t)，则进入分流工况控制模式，从T₁时刻开始以斜率k₂线性增大焊接电流直到R′(t)回到R_l(t)上方；

3.3)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)从T₁时刻开始高于模板动态电阻的上公差曲线R_u(t)，且T₁时刻在T₀时刻之前，则进入多层板工况控制模式，从T₀时刻开始以斜率k₃减小焊接电流直到R′(t)回到R_u(t)下方；

3.4)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)从T₁时刻开始高于模板动态电阻的上公差曲线R_u(t)，且T₁时刻在T₀时刻之后，则进入厚板工况控制模式，则从T₁时刻开始以斜率k₃减小焊接电流直到R′(t)回到R_u(t)下方；

3.5)焊接过程中，若在T₄时刻实际动态电阻发生瞬时跌落，且瞬时跌落百分比dR/R₄>η时，则进入飞溅工况控制模式，在T₄至T₄+dT时间段内将焊接电流降低dI，T₄+dT时刻后再将电流恢复至降低前的大小，R₄为跌落前的实际动态电阻值，η为阈值。

所述的步骤3.1)包括以下步骤：

3.1.1)若T′_p时刻在T_p+dT时刻之前，则不调节实际焊接电流和实际通电时间；

3.1.2)若到达T_p+dT时刻后仍未出现峰值R′_p，则在T_p+dT时刻后以斜率k₁线性增大焊接电流直至R′_p出现。

所述的步骤3.2)包括以下步骤：

3.2.1)若R′(t)在焊接电流增大到允许最大电流I_max之前的T₂时刻就回到R_l(t)上方，则从T₂时刻起保持电流I₂不变继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d；

3.2.2)若R′(t)在焊接电流增大到允许最大电流I_max的T₃时刻仍未回到R_l(t)上方，则从T₃时刻起保持最大允许焊接电流I_max继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

所述的步骤3.3)包括以下步骤：

3.3.1)若在T_p+dT时刻前的时刻T₂时R′(t)回到R_u(t)下方，则从T₂时刻保持电流I₂不变继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d；

3.3.2)若T_p+dT时刻时R′(t)仍大于R_u(t)，则T_p+dT时刻后恢复焊接电流大小至I₀并且延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

所述的步骤3.4)包括以下步骤：

3.4.1)若T₁时刻在T₀时刻之后，且R′(t)在焊接电流减小到允许最小电流I_min之前的T₂时刻就回到R_u(t)下方，则从T₂时刻起保持电流I₂不变继续通电焊接至T₅时刻；

3.4.2)若T₁时刻在T₀时刻之后，且R′(t)在焊接电流增大到允许最大电流I_min的T₃时刻仍未回到R_u(t)下方，则从T₃时刻起保持最小允许焊接电流I_min继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

所述的步骤3.1.2)包括以下步骤：

3.1.2.1)若R′_p在焊接电流增大到允许最大电流I_max之前的T₂时刻出现，则从T₂时刻起保持焊接电流I₂不变继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d；

3.1.2.2)若焊接电流增大到允许最大电流I_max的T₃时刻后仍未出现R′_p，则从T₃时刻起保持最大允许焊接电流I_max继续通电焊接，并延长通电时间直至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：电源模块、直流电阻点焊机构、检测模块、控制核心模块和电源操纵模块，其中：电源模块与三相电网相连并输出直流电压至直流电阻点焊机构，检测模块与直流电阻点焊机构相连并实时检测焊接电流和焊接电压后输出至控制核心模块，控制核心模块向电源操纵模块输出控制指令，由电源操纵模块调整电源模块的工作状态，从而实现点焊焊接电流的多模式调节。

所述的电源模块包括：依次连接的三相整流电路、逆变电路、焊接变压器和次级整流电路，其中：三相整流电路的输入端与电网相连，次级整流电路的输出端与直流电阻点焊机构相连并输出直流电压，三相整流电路、逆变电路的控制端分别与控制核心模块相连并接收控制指令。

所述的直流电阻点焊机构包括：相对设置的点焊电极以及位于其间的焊接材料。

所述的检测模块包括：分别与控制核心模块相连的次级电流测量电路和次级电压测量电路，其中：次级电流测量电路设置于电源模块与直流电阻点焊机构之间，次级电压测量电路设置于直流电阻点焊机构的两个输入端之间。

所述的电源操纵模块包括：IGBT驱动电路和晶闸管驱动电路，其中：IGBT驱动电路根据控制核心模块的控制指令调整电源模块中逆变电路的工作状态，晶闸管驱动电路根据控制核心模块的控制指令调整电源模块中三相整流电路的工作状态。

所述的控制核心模块包括：依次连接的计算单元、决策单元和控制单元，其中：计算单元的输入端与检测模块相连并接收电流与电压信号，控制单元的输出端与电源操纵模块相连并输出控制指令。

附图说明

图1为本发明所述的直流电阻点焊多模式反馈控制方法的流程示意图；

图2为压力波动工况控制模式下不进行调节时的电阻电流曲线图；

图3为压力波动工况控制模式下发生R′_p轻微滞后时的电阻电流曲线图；

图4为压力波动工况控制模式下R′_p严重滞后时的电阻电流曲线图；

图5为分流工况控制模式下电阻轻微超出R_l(t)下方时的电阻电流曲线图；

图6为分流工况控制模式下电阻严重超出R_l(t)下方时的电阻电流曲线图；

图7为多层板工况控制模式中电阻轻微超出R_u(t)上方时的电阻电流曲线图；

图8为多层板工况控制模式中电阻严重超出R_u(t)上方时的电阻电流曲线图；

图9为厚板工况控制模式中电阻轻微超出R_u(t)上方的电阻电流曲线图；

图10为厚工况控制模式中电阻严重超出R_u(t)上方时的电阻电流曲线图；

图11为飞溅工况控制模式的电阻电流曲线图；

图12为实现本发明所述的直流电阻点焊多模式反馈控制方法的系统示意图，

图13为待焊板材间有装配间隙时恒流模式与反馈控制模式的电阻电流曲线图；

图14为待焊板材发生相邻焊点过近时恒流模式与反馈控制模式的电阻电流曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例具体包括以下步骤：

1)在标准焊接条件下进行试焊，焊接电流大小为I₀，测量试焊过程中的动态电阻，建立焊点的模板动态电阻曲线R(t)，及其上公差带曲线R_u(t)和下公差带曲线R_l(t)，模板动态电阻曲线峰值为R_p，R_p对应时刻为T_p，峰值后模板动态电阻曲线下降量为R_d，最大通电时间为T₅。

2)对待焊材料进行焊接，初始焊接电流大小为I₀，测量实际焊接过程中的动态电阻，绘制实际动态电阻曲线R′(t)，实际动态电阻曲线峰值为R′_p，R′_p对应时刻为T′_p，峰值后实际动态电阻曲线下降量为R′_d。

3)对比模板动态电阻曲线和实际动态电阻曲线，调节焊接电流和通电时间。

3.1)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)始终夹在模板动态电阻的上公差带曲线R_u(t)和下公差带曲线R_l(t)之间，则进入压力波动工况控制模式，小幅度调节焊接电流与通电时间。

3.1.1)如图2所示，若T′_p时刻在T_p+dT时刻之前，则不调节实际焊接电流和实际通电时间。

3.1.2)若到达T_p+dT时刻后仍未出现峰值R′_p，则在T_p+dT时刻后以斜率k₁线性增大焊接电流直至R′_p出现。

3.1.2.1)如图3所示，若R′_p在焊接电流增大到允许最大电流I_max之前的T₂时刻出现，则从T₂时刻起保持焊接电流I₂不变继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.1.2.2)如图4所示，若焊接电流增大到允许最大电流I_max的T₃时刻后仍未出现R′_p，则从T₃时刻起保持最大允许焊接电流I_max继续通电焊接，并延长通电时间直至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.2)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)从T₁时刻开始低于模板动态电阻的下公差带曲线R_l(t)，则进入分流工况控制模式，从T₁时刻开始以斜率k₂线性增大焊接电流直到R′(t)回到R_l(t)上方。

3.2.1)如图5所示，若R′(t)在焊接电流增大到允许最大电流I_max之前的T₂时刻就回到R_l(t)上方，则从T₂时刻起保持电流I₂不变继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.2.2)如图6所示，若R′(t)在焊接电流增大到允许最大电流I_max的T₃时刻仍未回到R_l(t)上方，则从T₃时刻起保持最大允许焊接电流I_max继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.3)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)从T₁时刻开始高于模板动态电阻的上公差曲线R_u(t)，且T₁时刻在T₀时刻之前，则进入多层板工况控制模式，从T₀时刻开始以斜率k₃减小焊接电流直到R′(t)回到R_u(t)下方。

3.3.1)如图7所示，若在T_p+dT时刻前的时刻T₂时R′(t)回到R_u(t)下方，则从T₂时刻保持电流I₂不变继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.3.2)如图8所示，若T_p+dT时刻时R′(t)仍大于R_u(t)，则T_p+dT时刻后恢复焊接电流大小至I₀并且延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.4)焊接过程中，若实际动态电阻曲线R′(t)从T₁时刻开始高于模板动态电阻的上公差曲线R_u(t)，且T₁时刻在T₀时刻之后，则进入厚板工况控制模式，则从T₁时刻开始以斜率k₃减小焊接电流直到R′(t)回到R_u(t)下方。

3.4.1)如图9所示，若T₁时刻在T₀时刻之后，且R′(t)在焊接电流减小到允许最小电流I_min之前的T₂时刻就回到R_u(t)下方，则从T₂时刻起保持电流I₂不变继续通电焊接至T₅时刻。

3.4.2)如图10所示，若T₁时刻在T₀时刻之后，且R′(t)在焊接电流增大到允许最大电流I_min的T₃时刻仍未回到R_u(t)下方，则从T₃时刻起保持最小允许焊接电流I_min继续通电焊接，并延长通电时间至T₆时刻，T₆时刻满足R′_d≥R_d。

3.5)焊接过程中，若在T₄时刻实际动态电阻发生瞬时跌落，且瞬时跌落百分比dR/R₄>η时，则进入飞溅工况控制模式，在T₄至T₄+dT时间段内将焊接电流降低dI，T₄+dT时刻后再将电流恢复至降低前的大小，R₄为跌落前的实际动态电阻值，η为阈值。

如图11所示，焊接过程中，若在T₄时刻实际动态电阻发生瞬时跌落，且瞬时跌落百分比dR/R₄>η时，则进入飞溅工况控制模式，在T₄至T₄+dT时间段内将焊接电流降低dI，T₄+dT时刻后再将电流恢复至降低前的大小，R₄为跌落前的实际动态电阻值，dR为电阻瞬时跌落值，dI为电流降低值，η为阈值。模板动态电阻上公差带曲线R_u(t)＝1.2×R(t)。模板动态电阻下公差带曲线R_l(t)＝0.8×R(t)。最大允许焊接电流I_max＝I₀+1000A。最小允许焊接电流I_min＝I₀-1000A起始T₀时间为20ms。间隔时间dT为20ms，电流降低值dI为1000A。斜率k₁为25A/ms，斜率k₂为50A/ms，斜率k₃为25A/ms，阈值η为0.04。

如图12所示，为本实施例实现上述方法的系统，包括：三相整流电路1、逆变电路2、焊接变压器3、次级整流电路4、晶闸管驱动电路5、IGBT驱动电路6、控制核心单元7、次级电流测量电路8、次级电压测量电路9、电流传感器10和电压传感器11，其中：三相整流电路1的一个输入端连接三相电网，三相整流电路1的另一个输出端连接晶闸管驱动电路5的输出端并传输晶闸管驱动信号，三相整流电路1的输出端连接逆变电路2的一个输入端并传输直流电流信号，逆变电路2的另一个输入端连接IGBT驱动电路6的输出端并传输IGBT驱动信号，逆变电路2的输出端连接焊接变压器3的输入端并传输交流电流信号，焊接变压器3的输出端连接次级整流电路4并传输降压增流后的交流电流信号，次级整流电路4的两个输出端分别连接两个电极并传输直流大电流信号，电压传感器11的两个输入端分别连接两个电极，电压传感器11的输出端连接次级电压测量电路9的输入端，次级电压测量电路9的输出端连接控制核心单元7的输入端并传递电压测量信号，电流传感器10套在焊接次级回路中，电流传感器10的输出端连接次级电流测量电路8的输入端，次级电流测量电路8的输出信号连接控制核心单元7的输入端并传递电流测量信号，控制核心单元7的一个输出端连接晶闸管驱动电路5的输入端并传输晶闸管控制信号，控制核心单元7的另一个输出端连接晶IGBT驱动电路6的输入端并传输IGBT控制信号。

本实施例中采用的待焊件为0.7mmCR3钢板+0.7mmCR3钢板，焊接电流I₀为8kA，最大通电时间T₅为150ms，在标准焊接工况下进行试焊并建立模板动态电阻曲线，其中深色实线为模板电阻电流曲线，浅色实线为采用恒流模式时的电阻电流曲线，带有圆形标记的线为采用反馈控制模式时的电阻电流曲线。当两板间存在装配间隙时，分别采用恒流模式与反馈控制模式进行焊接。恒流模式下焊接电流保持不变，但实际动态电阻曲线远远偏移模板动态电阻曲线，两者间最大差异达35μΩ；反馈控制模式下，由于实际动态电阻曲线在焊接初期高于模板动态电阻曲线，因此从35ms开始减小焊接电流，使实际动态电阻曲线向模板电阻曲线靠拢，两者间最大差异减小至10μΩ，有效补偿了异常工况对焊接质量造成的影响。

如图13所示，待焊件为0.7mmCR3钢板+0.7mmCR3钢板，焊接电流I₀为8kA，最大通电时间T₅为150ms，在标准焊接工况下进行试焊并建立模板动态电阻曲线。当相邻两焊点间距过小时，分别采用恒流模式与反馈控制模式进行焊接。恒流模式下焊接电流保持不变，但实际动态电阻曲线远远偏移模板动态电阻曲线，两者间最大差异达20μΩ；反馈控制模式下，由于实际动态电阻曲线低于模板动态电阻曲线，因此增大约800A焊接电流，使实际动态电阻曲线向模板电阻曲线靠拢，两者间最大差异减小至4μΩ，补偿了异常工况对焊接质量造成的影响。

与现有技术相比，实时控制焊点质量和焊接过程，显著提升关键工位焊点质量，有效抑制焊接过程中的飞溅，提高焊接质量稳定性，节省了大量针对不同工况的工艺参数调整时间。提高了合格率。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。