超薄不锈钢板超级电容储能点焊机的研制

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1、万方数据32·焊接设备与材料·焊接技术第41卷第2期2012年2月文章编号：1002—025X(2012)02—0032埘超薄不锈钢板超级电容储能点焊机的研制徐向前．周好斌(西安石油大学材料科学与工程学院，陕西西安710065)摘要：针对超薄不锈铜板应用常规的储能焊焊接时焊接工艺参数难以控制．提出了基于超级电容器的储能焊焊机的研制。通过分析超级电容器原理及其模型，得出了将其应用于储能点焊的理论依据。根据点焊过程中所需的能量对电容组贮存能量进行控制。以及电阻点焊过程中动态电阻的变化规律对放电回路的电流进行控制，可较好地解决点焊工艺参数较硬的问题。关键词：超级电客；点焊；高频脉冲电

2、流中图分类号：TG438．2文献标志码：B0序言对于厚度仅为O．1mm的超薄304不锈钢板进行点焊时。使用常规的储能焊进行焊接时很易造成烧穿或焊不上。点焊工艺参数不易控制。很难达到预期的焊接质量要求。因此，本文针对这一问题。提出了基于超级电容器的储能点焊焊机的研制。根据点焊过程中所需的能量对超级电容组贮存能量进行控制以及电阻点焊过程中动态电阻的变化规律对放电回路的电流进行控制，这样可较好地解决焊接规范较硬的问题。1超级电容器在储能点焊中的应用分析及设计1．1超级电容器简介及其应用模型超级电容器与电解电容器相比。拥有巨大的容量，是因为其基于双电层电容器的原理[卜31。通常，双电层

3、电容的容量与孔隙率和电极材料的比面积有密切关系。孔隙率越高，电极材料的比表面积越大，则容值也越大。超级电容器两个电极材料多采用多孔活性炭电极，且两电极之间间距仅为纳米级，具有很大的有效极板面积，可以达到200m2／g，所以超级电容器可以有巨大的容量。因此，要将超级电容器储能应用于电容储能焊。必须对超级电容器充电和放电的应用模型进行分析和研究。在工程中或在电化学设计时常用的模型为串联RLC模型，如图1所示。收稿日期：2011—09—19一般使串联内阻R。减小至数mQ。且并联泄漏电阻尺F》Rs。此时，阻抗Z为：压R一[础一l，(∞C)]，(1)式中：Z为阻抗；∞为频率；尺s为串联内

4、阻⋯。这时呈现的自谐振频率为：蚱1／(LC)比，(2)式中：∞。为自谐振频率[引。这样超级电容只在频率低于‰时才能高效地储存电能。所以在电容储能焊充电过程中，选择低频限流充电，因此，可将图l所示的模型简化为图2所示的串联RC模型。图2所示串联RC电路是超级电容器模型中最简单的一种等效电路模型。R是等效串联电阻，C是理想电容。这个模型便于超级电容器储能模块的充放电分析和计算，而且生产超级电容器的公司都会给出C和等效内阻R[5]。在电容储能焊焊接过程中，通常超级电容器要在很短的时间内完成放电过程，瞬时释放的峰值电流高达数百甚至上千A。此时，超级电容器的模型必须要考虑等效串联电感L在

5、电流上升和下降时所造成的阻碍作用。因此，本文采用了图3所示的超级电容器在储能焊焊接过程中的等效电路模型。它由一个电容C、一个等效串联内阻R和一个等效串联电感L构成。C圈l串鞋RLC模型万方数据WeIdingTechnolo灯V01．4lNo．2Feb．2012·焊接设备与材料·33—4值，使得能量的精确控制有了可能。田2旱联Rc梗翌—^—4叫当圈3超级电窖嚣在储能焊焊接过程中的等效电路模型1．2超级电容组的设计在电容储能焊焊接过程中。其能量传递过程满足式(3)：叼·÷c醒=EI+易，(3)式中：C为电容，F；，7为电容放电效率，A；巩为电容充电电压，V；E。为工件达到焊接温度所

6、需要的能量，J；E：为工件及焊接回路上损失的能量，J。E。为焊接过程中工件所需的能量，也就是电流通过焊接区产生的电阻热。而超级电容器的单体均为低压，额定电压值(耐压值)在3V左右。所以相对高压的电容器组需要多只单体的串并联组合。设计m只超级电容器的单体串联为一组，而后由n组并联。设超级电容器的单体的容量值为co，耐压值为％，则m只电容器串联为一组。每组电容器的容量值为c0／m，承受耐压值为m木砜；并联几组，则并联后电容器组的整体容量为C=扩co／m，总的耐压值为U=m，．c砜。这样结合式(3)就容易算出m和n的值。通过分析超级电容器的原理及模型确定了其应用于储能点焊时的充电和放

7、电应用模型；通过对电阻点焊原理和超级电容器耐压值的分析，对超级电容组进行了设计。超级电容组的设计为储能点焊焊机的设计奠定了基础。2设计思路从式(3)可以得出：调节释放到工件上的焊接能量的大小有3种方法，其一是，％保持不变，增大C；其二，增大％，C保持不变；其三，魄和C均变化。这3种方法都可以改变点焊电流的大小。又由式(3)知电容充电电压对电容储能魄有指数放大作用，且要点焊的是厚度仅为0．1mm的超薄材料，所以能量的控制要求精确，为此提出了调节电容组容量的大小来调节点焊能量的方案，如图4所示。