Разработка специализированного оборудования и технологии для контактной микросварки

Рассмотрены вопросы разработки специализированного оборудования и технологических процессов для контактной микросварки, а также источники питания с системами автоматического регулирования, управления и контроля в реальном масштабе времени.

В проблемной лаборатории автоматизации сварочных процессов Рижского технического университета (бывшего политехнического института) разработаны некоторые технологические процессы и специализированное оборудование для использования в приборостроении:

  • настольная установка и роторный автомат для дуговой конденсаторной сварки оплавлением в среде аргона различных контактов из разнородных материалов;
  • настольные установки и полуавтомат для ударной конденсаторной сварки;
  • настольные установки для контактной микросварки многожильных медных посеребренных проводников с деталями в различных изделиях;
  • технология и установки для контактной микросварки мостиков накаливания (перемычек) из нихромовой проволоки диаметром 9-50 мкм к торцам выводов изделий;
  • система автоматического контроля качества сварных соединений и управления процессом контактной микросварки ”САККС-Ц-1“ по относительному снижению усилия сжатия в процессе сварки.

Одной из актуальных проблем точечной контактной микросварки является обеспечение стабильной прочности микросварных соединений и исключение выплесков расплавленных частиц металла, так как застывшие частицы могут вызывать нарушение нормальной работы приборов.

Повышение стабильности качества сварных соединений и частичное снижение брака по выплескам при точечной контактной микросварке достигаются усовершенствованием механизмов сжатия, обеспечивающих постоянство усилия сжатия на электродах, и применением предварительного подогрева деталей импульсом тока малой мощности и сглаживанием переднего фронта импульса сварочного тока. В двухимпульсных прерывателях это решается регулированием фазы включения первого полупериода сварочного тока промышленной частоты, а в серийных машинах импульсом подогрева конденсаторным разрядом или переменного тока, а также регулированием крутизны нарастания импульса сварочного тока.

Серийные источники питания с жестко программируемой кривой сварочного тока не имеют обратных связей. Поэтому при возникновении в зоне контакта возмущающих воздействий (снижение усилия сжатия, плохая подготовка свариваемых поверхностей и др.) процесс сварки сопровождается выплесками и нестабильностью качества сварных соединений, т.е. они не отрабатывают случайные возмущающие воздействия и требуют строгой стабилизации входных параметров. Поэтому одним из эффективных путей повышения качества и надежности микросварных соединений, получаемых контактной микросваркой в процессе производства изделий приборостроения, является создание и внедрение систем автоматического регулирования (САР).

Различными авторами было предложено довольно большое количество систем автоматического регулирования процесса по электрическим параметрам, а именно по сварочному току, по межэлектродному напряжению и по мощности, выделяемой между электродами, и по электрическому сопротивлению межэлектродного участка. При этом для каждого конкретного сочетания материалов предлагался свой параметр регулирования.

В большинстве своем предложенные САР были разработаны для контактной сварки материалов средних и больших толщин. Эти системы обладали большой инерционностью, малой точностью и сравнительно большим временем отработки возмущения (10 мс и более). Для контактной микросварки материалов малых толщин такие САР непригодны, т.к. процесс длится 2-10 мс. Кроме этого, исследований и сравнений технологических возможностей при контактной микросварке различных САР не проводилось.

Поэтому нами были проведены экспериментальные исследования и сравнение технологических возможностей САР процесса контактной точечной микросварки с авторегулированием по падению напряжения между электродами, по сварочному току и по мощности при стабилизированной длительности переднего фронта, при постоянной длительности стабилизированной части импульса, а также величине энергии, выделяемой в зоне сварки.

В качестве имитатора возмущений было выбрано статическое усилие сжатия на электродах. Выбор данного параметра в качестве имитатора возмущений обусловлен тем, что отклонение этого параметра от оптимальных значений дестабилизирует контактные сопротивления в зоне сварки, размеры поверхностей вдавливания свариваемых проволок и зачастую приводит к появлению выплесков.

Программа падения напряжения ΔUээ технологически целесообразно отрабатывается сварочным током — “смягчает” режим нагрева при снижении усилия сжатия (т.е. происходит более плавное нарастание сварочного тока в начальной стадии процесса и уменьшается его амплитудное значение, а длительность сварки увеличивается).

При повышении усилия сжатия ΔUээ “ужесточает” режим нагрева (происходит более резкое нарастание сварочного тока, увеличивается его амплитудное значение и уменьшается длительность), т.е. компенсирует отрицательный эффект возмущений, обеспечивая безвыплесковую сварку с получением высокопрочных соединений с пониженным коэффициентом вариации в весьма широком диапазоне изменения усилия сжатия (+30% и -50% от Fэ опт).

Программа сварочного тока приводит к технологически нецелесообразному повышению падения напряжения на электродах, т.е. “ужесточает” режим нагрева при снижении усилия и “смягчает” его при повышении усилия сжатия, т.е. усиливает отрицательный эффект возмущений, обеспечивая получение высокопрочных соединений в относительно узком диапазоне усилия сжатия, ограниченного снизу выплеском, а сверху снижением прочности соединений и повышением коэффициента ее вариации (± 10% от оптимального Рст).

Программа мощности отрабатывает возмущения по Рст за счет одновременного изменения межэлектродного напряжения и сварочного тока, их скоростей нарастания и амплитудных значений (± 20% от Рст).

Анализ результатов технологических исследований указанных программ САР показал преимущество программы падения напряжения при постоянной энергии сварки. Эти преимущества заключаются в снижении разброса прочностных характеристик и их стабилизации, а также, что очень важно, в уменьшении вероятности появления выплесков.

На основе проведенных исследований впервые был создан бестрансформаторный транзисторный быстродействующий управляемый источник сварочного тока для контактной микросварки типа САРМ-3. Испытания источника сварочного тока в лабораторных условиях и на производстве подтвердили его пригодность для контактной микросварки ответственных изделий.

В сравнении с известными аналогами источник имеет следующие отличительные особенности — малоинерционный сварочный контур, повышенное быстродействие (0,1 мс) и широкие диапазоны установки параметров программ авторегулирования, форму импульсов сварочного тока, позволяющих обеспечивать нагрев, согласованный с динамикой процесса осадки, и минимальную зону термического влияния.

САРМ-3 представляет собой замкнутую систему непрерывного автоматического регулирования процесса с программируемыми электрическими параметрами и формой импульса и обратной связью от падения напряжения на электродах. Источником энергии служат батареи большой емкости из низковольтных электролитических конденсаторов большой удельной электрической емкости (например К50-25 или К50-18). Требуемое значение емкости батареи — около 1 Ф при напряжении зарядки до 20В.

Управляемый источник САРМ-3 обеспечивает нарастание падения напряжения между сварочными электродами по квадратичному закону с заданной длительностью переднего фронта импульса (рис. 1, кривая 1), поддерживает стабильный заданный уровень падения напряжения (участок 2) и отключает сварочный ток при достижении установленной величины энергии, выделившейся между электродами (участок 3).

Форма программного сигнала падения напряжения на электродах
Форма программного сигнала падения напряжения на электродах.

После небольшой модернизации управляемых источников можно передний фронт импульса задавать синусоидальным или комбинированным (синусоидально-квадратичным). или несколькими возрастающими по амплитуде импульсами повышенной частоты. Спадающий фронт импульса (участок 3)можно также задавать желаемой формы.

Такие варианты изменения формы сварочного импульса позволяют более эффективно стабилизировать начальные значения переходных и контактных сопротивлений и снизить вероятность появления выплесков расплавленного металла.

Источник питания САРМ-3 состоит из блока управления БУ2-Ц и блока питания БП-3 (рис.2).

Внешний вид источника САРМ - 3
Внешний вид источника САРМ — 3

Блок питания БП-3 электрическими силовыми цепями подсоединяется к электродам механизма сжатия сварочной машины.

Блок управления БУ2-Ц представляет собой измерительное и управляющее устройство, и осуществляет измерение, обработку и необходимые управляющие воздействия для реализации алгоритма управления сварочным процессом.

Блок БП-3 представляет собой быстродействующий и управляемый источник сварочного тока с помощью силовых транзисторов КТ-825 или КТ-827.

Технические характеристики источника сварочного тока САРМ-3

Питание от сети переменного тока, В 220 ± 22 (50 ± 0,5 Гц)
Пределы регулирования сварочного тока, А  100 — 3000
Пределы регулирования падения напряжения на
электродах, В  0,1 — 3,0
Пределы задания энергии сварки, Дж 0,1 — 50,0
Пределы задания переднею фронта импульса, мс   1-15
Точность регулирования, % 3
Напряжение на конденсаторной батарее, В   20
Емкость конденсаторной батареи, Ф   1,0
Масса, кг 50
Размеры, мм БУ2-Ц: 480x160x475
БП-3: 480x320x475

Источник питания САРМ-3 можно рекомендовать для контактной микросварки ответственных изделий при наличии возмущений по усилию сжатия, чистоте поверхностей свариваемых деталей и электродов. САРМ-3 обеспечивает стабильное качество микросварных соединений и снижает количество выплесков в несколько раз.

На основе разработанных источника питания САРМ-3 и блока контроля и управления САККС -Ц-1 была изготовлена сварочная установка ”Импульс-КМ», которая предназначена для контактной микросварки однородных и разнородных материалов толщиной до 0,3 мм и диаметром до 1.0 мм (рис.З).

Общий вид установки ”Импульс-КМ“ для точечной контактной микросварки
Общий вид установки ”Импульс-КМ“ для точечной контактной микросварки

Сварочная установка оснащена быстродействующим транзисторным источником питания ”САРМ-3“ , блоком контроля качества микросварных соединений и управления процессом «САККС -Ц-1» и малоинерционной сварочной головкой с педальной системой включения . Установка имеет электрическую, световую и звуковую сигнализацию при недопустимых возмущениях но межэлектродному сопротивлению и при контроле качества сварных соединений .

В настоящее время в лаборатории разрабатываются две модификации новых сварочных источников для контактной микросварки , применение которых несомненно даст большой технологический эффект:

  1. источник с максимальным сварочным током до 2,5 кА;
  2. источник с максимальным сварочным током до 5,0 кА.

Это малоинерционные, программируемые и управляемые в реальном масштабе времени, со встроенной регистрацией и цифровой индикацией параметров процесса сварочные источники постоянного тока.

Принцип действия разрабатываемых источников основан на бестрансформаторном выпрямлении сетевого напряжения, высокочастотном импульсном преобразовании с применением ШИМ — модуляции и выпрямлении выходного сварочного тока .В новых источниках будет осуществляться дозирование энергии, выделяемой в зоне сварки; измерение и цифровая индикация сварочного тока; контроль и цифровая индикация длительности сварочного импульса как функции качества процесса с сигнализацией об отклонении от нормы; электронная память двух и более режимов сварки с быстрым переключением на любой режим с помощью внешней кнопки или сенсора. В схемотехнике будет использоваться современная элементная база широкого применения известных фирм — производителей радиоэлементов, микроконтроллеры с электрически программируемой памятью, монтаж на основе печатных плат с межблочными соединениями с помощью плоских жгутов.

Указанные выше особенности, а также блочно-модульная конструкция обеспечат высокую надежность, удобства в эксплуатации и ремонте, возможность программирования или коррекции программ на обычном компьютере, а также относительно низкую стоимость оборудования при его тиражировании.