中頻逆變技術在雙金屬片焊接中的應用

唐山開元阻焊設備有限公司 （河北 063020） 王利民 郗春榮

隨著工業化進程的迅猛發展，雙金屬片的應用越來越廣泛。特別是低壓電器行業的快速發展，對雙金屬片焊接的要求越來越多。

1. 雙金屬片的特點

雙金屬片也稱熱雙金屬片，由于各組元層的熱膨脹系數不同，當溫度變化時，主動層的形變要大于被動層的形變，從而雙金屬片的整體就會向被動層一側彎曲，這種復合材料的曲率發生變化從而產生形變。其中膨脹系數較高的稱為主動層，膨脹系數較低的稱為被動層。隨著雙金屬應用領域的擴大和結合技術的進步，近代已相繼出現三層、四層、五層的雙金屬。事實上，凡是依賴溫度改變而發生形狀變化的組合材料，現今在習慣上均稱為熱雙金屬。

（1）雙金屬片的組成 主動層的材料主要有錳鎳銅合金、鎳鉻鐵合金、鎳錳鐵合金和鎳等；被動層的材料主要是鎳鐵合金，wNi為34%～50%。

（2）雙金屬片的用途 雙金屬片被廣泛用在繼電器、開關和控制器等上面，日光燈的起輝器就是一個很好的例子。另外還可以利用雙金屬片制成溫度計，可以測量較高的溫度。

（3）雙金屬片材料應滿足以下基本要求 ①主動層與被動層的熱膨脹系數相差很大，使得雙金屬對溫度的變化有較高的靈敏度。②雙金屬片材料的熱膨脹系數穩定。③金屬片材料有較高的彈性模量，使感溫元件有較寬的工作溫度范圍。④雙金屬片材料在工作溫度范圍內發生形變。⑤雙金屬片有良好的焊接性能。

2. 雙金屬與其他元件的焊接

雙金屬在電器產品中的工作方式分為兩種類型，一是被動感知環境溫度，二是利用雙金屬本身作為電阻發熱元件，根據其內部流過電流大小所決定的溫度動作。但無論哪種感溫方式，雙金屬都要與其他元件連接在一起。雙金屬與其他元件的焊接分為：雙金屬與觸點的焊接，雙金屬與編織線的焊接以及雙金屬與純銅板或銅合金板的焊接。

（1）雙金屬與觸點的焊接 雙金屬與觸點的焊接件一般用于直接連接的工作負載回路，觸點在工作時會頻繁的接通和斷開，要求雙金屬與觸點的焊接要有可靠的焊接強度、疲勞強度和良好的導電性能。觸點一般為復合材質，觸點與雙金屬的熔點和電阻率有很大差異，由于當流過雙金屬與觸點相同的電流時會產出不同的熱量，雙金屬產生的熱量要大于觸點產生的熱量，所以通常觸點會預制出凸點讓熱量更集中一些，在點焊機上焊接凸點一般都會采用硬規范焊接。

（2）雙金屬與銅編織線的焊接 當雙金屬與銅編織線焊接時，由于雙金屬與銅編織線的電阻率有很大差別，當流過雙金屬與銅編織線相同的電流時會產出不同的熱量，雙金屬產生的熱量要大于銅編織線產生的熱量，所以通常會在銅編織線側采用鉬或石墨材質的高阻電極，以增加單面熱量。焊接規范通常也會采用硬規范焊接。

（3）雙金屬與純銅板或銅合金板的焊接 當雙金屬與純銅板或銅合金焊接時，由于雙金屬與純銅板或銅合金電阻率的較大差異造成發熱量差異很大，所以通常會在純銅板或銅合金側采用鉬或石墨材質的高阻電極，焊接規范通常也會采用硬規范焊接。

從上述的情況可看出，三種工件的焊接由于焊件之間的熔點、電阻率差異較大，共同的特點是采用硬規范焊接可取得良好的效果。通常的單相交流工頻點焊機由于焊接時間的控制精度為周波級（20ms），故時間控制精度差；輸出焊接電流的波形為近似正弦波并由于采用晶閘管控制導通角的特性還會有一段冷卻時間，所以會產生峰值電流并且熱量不集中，極易造成焊接飛濺，使雙金屬焊接時質量極不穩定。

3. 中頻逆變電源的特性

（1）中頻逆變直流電阻焊控制電源基本原理 從電網輸入的三相交流電經橋式整流和濾波后得到較平穩的直流電，經逆變器（IGBT）逆變產生中頻交流電（f=600～1000Hz），再向阻焊變壓器饋電，阻焊變壓器二次輸出的低電壓交流電經單相全波整流后提供一個穩定的可以精確調整的直流焊接電流，逆變式電阻焊機通常采用脈寬調制（PWM）方法調節焊接電流。

（2）工頻交流電源與中頻逆變直流電源比較 工頻交流電源與中頻逆變直流電源焊接原理和電源波形的比較如圖1、圖2所示。

從圖1、圖2可看出，單相交流電源輸出的電流波形為具有峰值的50Hz的交流電，并由于采用晶閘管控制導通角的特性還會有一段冷卻時間，焊接時間的控制精度為周波級（20ms）。中頻逆變電源輸出的焊接電流波形為平滑的直流電，沒有電感分量，沒有峰值沖擊，焊接時間控制精度為毫秒級（ms）。

圖1 工頻交流電源與中頻逆變直流電源焊接原理

圖2 工頻交流電源與中頻逆變直流電源波形

4. 中頻逆變直流點焊機焊接雙金屬的優勢

（1）沒有峰值電流，極大地減少了焊接飛濺，提高了焊接強度和表面質量。

（2）焊接電流為直流電，熱量集中輸入穩定，焊接質量穩定，工件變形小。

（3）由于輸入的是平穩的直流電，時間控制為毫秒級，所以可以調制出更精確的焊接規范。

（4）節能。由于采用逆變技術，熱效率高，比工頻交流節電30%。

（5）由于采用三相輸入電源，可以實現三相電源平衡，對外網沖擊小。

5. 結語

采用中頻逆變直流技術焊接雙金屬片，能有效地提高焊接質量，增加焊接的穩定性和可靠性，使電阻焊特種焊接（尤其是低壓電器行業的材料焊接）成為可能。隨著中頻逆變技術的發展，中頻逆變技術在電阻焊焊接中的應用將會更加廣泛。