鉛酸蓄電池極群鑄焊工藝及其溫度控制的研究*

□ 錢振華 □ 王榮揚

湖州職業技術學院 機電工程分院 浙江湖州 313000

眾所周知，鉛酸蓄電池以其價格低廉、制造成本低、容量大、工藝簡便、性能可靠和適應性強等諸多優勢，已成為目前使用最廣泛的化學電池之一。鉛酸蓄電池的生產組裝包括極板稱重配組、包隔板、極群鑄焊、極群下槽、極板短路測試、封膠、氣密性檢查等多道工序，其中極群與匯流排鑄焊是一道關鍵工序，它直接影響蓄電池的質量和性能，因此，要求焊接牢固，無虛焊、假焊，無漏鉛。極群鑄焊工藝參數包括匯流排合金、澆鑄溫度、模具溫度、澆鑄時間、插入延時、插入深度、冷卻時間等［1～3］。只有保證合理的澆鑄、模具和鉛液池的溫度，才能保證極群與匯流排的鑄焊成型及順利脫模。因此，對鑄焊機的澆鑄、模具和鉛液池溫度等的控制是實現自動鑄焊工藝的關鍵。

傳統的溫度控制多采用定值開關控溫法，即通過硬件電路或軟件計算當前溫度值與目標設定值之間的關系，進而對系統的加熱裝置（或冷卻裝置）進行通斷控制。這種控溫方法原理比較簡單、成本低，但無法克服溫度變化的滯后性，控制精度低，無法實現高精度的溫度控制。此外，要實現鑄焊機的自動控制，還需對極群焊接過程中的夾持、切耳、刷耳、沾助焊劑、冷卻、脫模等工序進行協調控制，控制對象較為復雜，采用傳統的繼電控制很難達到要求。

隨著信息技術和工業自動化技術的不斷發展，PLC、智能溫度控制器等智能儀表在工業現場的使用愈加廣泛。采用PLC編程對鑄焊機工作過程中各工位的氣缸、電機等執行機構進行自動控制，很容易實現各工序之間的協調控制；采用智能溫度控制器，對鉛液池和澆鑄池的鉛液加熱溫度進行PID控制，可以保證較高的控制精度，并且容易和PLC組成自動溫度控制系統。

1 極群鑄焊工藝

在鉛酸蓄電池極群焊接過程中，COS（Cast On Strap）鑄焊應用最為廣泛。COS工藝主要是將表面經清潔或刷耳處理的極群浸入充滿液態鉛合金的鑄模型腔中，由于熱傳導作用，極耳表面溫度快速升高，使其表面金屬部分熔化而與液態的鉛合金熔融在一起，隨著鑄模型腔的冷卻，匯流排合金快速凝固，并與極群形成永久的連接［2］。COS鑄焊工藝示意圖見圖1。

▲圖1 COS鑄焊工藝示意圖

鉛酸蓄電池極群鑄焊工藝決定了極耳與匯流排鑄焊接頭的質量。工藝參數選擇不當可能導致極耳與匯流排連接不可靠，匯流排厚薄不均、開裂、氣孔以及虛焊、假焊等缺陷，直接影響蓄電池的可靠性和壽命。

（1）匯流排合金。鉛酸蓄電池匯流排一般采用鉛錫合金，錫含量在2%～3%。從鉛-錫合金相圖可以看出其固相線為 316℃，液相線為 322℃［4］。

（2）澆鑄溫度。S M Cock等人所在的Pasrainco研究中心通過大量實驗得出結論，要想取得滿意的極群鑄焊效果，需在匯流排合金溫度480～500℃之間進行澆鑄，當極耳插入時合金溫度下降至440～460℃，匯流排合金與極耳的連接發生在300℃左右［4］。慕尼黑工業大學的A T?nessen等人則通過有限元模擬的方法得出結論，在匯流排合金溫度為480℃時進行澆鑄效果最佳［5］。

（3）模具溫度。COS模具溫度過低，會導致匯流排合金凝固過快，造成虛、假焊；而模具溫度過高，會造成極耳過熔，導致其機械強度降低甚至斷裂。因此，合理地控制模具溫度對于極群鑄焊相當重要，一般應控制在150℃左右，采用通冷卻水的方式進行冷卻。

其它諸如澆鑄時間、插入延時、冷卻時間等工藝參數均對最終的鑄焊質量有一定影響，應按照實際鑄焊工藝進行設置，以取得滿意的焊接效果。

2 極群鑄焊溫度控制

按照極群鑄焊工藝要求，鉛塊在澆鑄前需在鉛液池預先加熱熔融，并加以攪拌，防止鉛液表面氧化。熔融后的鉛液流入澆鑄池（即COS模具），此時鉛液溫度會有一定程度降低，故需對鉛液進行進一步加熱，一般保持在500℃。

由于鉛液溫度控制具有運行慣性大、控制滯后等特點，它對控制調節器要求較高。常見的控制方式有3種，即比例、積分、微分控制。比例控制是一種最基本的控制方式，具有反應速度快、控制及時、但控制結果有余差等特點。積分控制可以消除余差，但是控制器的輸出變化總是滯后于偏差的變化，從而難以對干擾進行及時且有效的控制，因此工業上很少單獨使用積分控制。微分作用是對偏差的變化速度加以響應，因此只要偏差一有變化，控制器就能根據變化速度的大小，適當改變其輸出信號，從而可以及時克服干擾的影響，抑制偏差的增長，提高系統的穩定性，但是微分控制的結果也不能消除余差，且效果要比純比例控制器更差。將3種控制方式線性組合在一起，就是比例積分微分（PID）控制，其具有結構簡單、穩定性高、工作可靠和調整方便等特點，主要適用于被控對象負荷變化較大、容量滯后較大、干擾變化較強及工藝不允許有余差存在且控制質量要求較高的場合［6］。PID控制器是一種線性控制器，其數學表達式為：

式（1）中：Kp為比例系數；Tl為積分時間常數；TD為微分時間常數。

依據PID控制的特點，結合現場實際，本系統采用了智能PID溫度控制的方式。系統控制原理如圖2所示。由于系統溫度測量范圍為0～500℃，選用了K型熱電偶作為溫度傳感器。K型熱電偶即鎳鉻－鎳硅熱電偶，是一種能測量較高溫度的廉價熱電偶，在工業上應用極為廣泛。溫度控制執行元件采用固態繼電器，控制加熱棒對鉛液池和澆鑄池進行加熱。PID溫度調節器與固態繼電器、熱電偶及加熱棒的接線圖見圖3。

▲圖3 PID溫度調節器接線圖

另外，鑄焊工藝要順利完成，還需對鑄焊機工作過程中各工位的氣缸、電機等執行機構進行協調控制。系統采用1臺三菱FX2N-64MR PLC作為控制核心，實現鑄焊機的自動控制，控制框圖見圖4。

完成系統的硬件選擇與連接后，在系統投運前關鍵還要對智能PID溫度調節器進行參數設置和PID參數整定。參數設置步驟如下:

▲圖4 鑄焊機PLC控制框圖

（1）將傳感器量程代碼設定為:05（K型熱電偶0.0～800.0 ℃）；

（2）選擇傳感器量程的單位C；

（3）將調節輸出極性設為:RA反作用（加熱）；

（4）將調節輸出的時間比例周期設為:2 s（P型輸出接固態繼電器時比例周期一般選2～12 s）；

（5）將SV值設為500.0℃；

（6）將EV1報警方式設為:下限絕對值（LA）；

（7）下限報警應具有上電抑制功能，設為:2；

（8）設EV1報警值:480.0℃。

系統接成閉環后，可利用智能PID調節器的自整定功能，方便地找到系統最佳的PID參數，提高調節品質。自整定起動后，調節器AT燈亮。在測量值PV到達設定值SV后，調節器將自動造成對系統的二、三次擾動。根據超調振蕩的大小和恢復的周期，調節器自動算出系統的PID參數。自整定過程如圖5所示。自整定完成后，AT燈滅，系統恢復正常控制。如果對自整定得到的控制結果不滿意，還可通過手動方式對PID參數作進一步的調整。

▲圖5 智能PID調節器自整定示意圖

3 結論

蓄電池極群鑄焊工藝質量主要取決于鉛液池、澆鑄和模具的溫度。采用具有參數自整定功能的智能PID溫度控制器對鑄焊過程中的溫度進行PID控制，控制精度始終保持在±2℃之內，確保了極群鑄焊工藝質量；采用PLC控制技術，對鑄焊機工作過程中各工位的氣缸、電機等執行機構進行協調控制，實現了極群鑄焊的自動化生產。

［1］ 余偉華.鉛酸蓄電池電極鑄焊工藝研究［D］.上海:上海交通大學,2008.

［2］ C S Lakshmi.Review of Cast-on-strap Joints and Strap Alloys for Lead-acid Batteries［J］.Journal of Power Sources,2000，88:18-26.

［3］ B Niroumand,H Mirzadeh,M Reisi.Evaluation of Cast-onstrap Joints in Leadacid Batteries ［J］.Materials Characterization,2009，60:1555-1560.

［4］ S M Cock,C S Lakshmi,J B See,et al.The Effects of Geometrical and Process Variables on the Quality of Caston-strap Joints ［J］.Journal of Power Sources,1996，59:71-79.

［5］ A T?nessen,K Salamon,H M Tensi.Simulation of the Caston-strap Process in a Finite-element Model ［J］.Journal of Power Sources,1997，64:97-101.

［6］ 楊旭東,王洪生,李文偉,等.基于PLC的非晶鐵心退火爐溫度控制系統研究［J］.變壓器，2010（6）:44-47. ■