电工触头感应钎焊钎着率在线监测与焊后快速无损评估研究

发布时间：2020-04-15 05:10

【摘要】：在电工触头感应钎焊生产过程中,为了保证一定的生产效率,容易出现未钎透缺陷,焊接质量不稳定。此外,在推进电工触头感应钎焊自动化生产过程中,缺乏有效的在线质量监测和焊后在线快速无损质量评估手段。本文以CJ400电工触头为研究对象,对脉冲式、连续式感应钎焊的钎着率进行了对比分析;并对基于过程电参数积分值的在线钎着率监测进行了研究;鉴于电工触头焊后钎着率测量效率比较低(每个工件约30分钟),提出了基于电工触头电阻的钎着率焊后在线快速无损评估方法。以提高焊缝径向温度场均匀性为切入点,提出了变电流脉冲式感应钎焊的方法,并对连续式和脉冲式感应加热的径向温度场均匀性进行了对比分析。通过数值模拟发现,在传统连续式感应加热条件下,电流密度越小,焊缝径向温度场越均匀。在脉冲式感应加热条件下,由于基值和峰值产热速度的不同,外表面和中心处的温差是按照一定的波动规律不断上升。在所需加热时间相等的条件下,脉冲式感应钎焊径向温度场的均匀性要优于连续式感应钎焊。为了满足自动化生产线对生产效率的要求,将CJ400电工触头感应钎焊总焊接时间限制在约20s(即加热时间16s,保持时间4s)。借助于自主研制的脉冲式感应加热电源控制器,对连续式和脉冲式感应钎焊进行对比工艺试验。在连续式感应钎焊(电流45.0A)条件下,加热时间为17.0s时,钎着率达到最大值87.62%;在脉冲式感应钎焊(基值30.0A,峰值60.0A)条件下,当加热时间为16.8s,钎着率达到最大值为96.61%,工艺窗口为16.4-17.2s。在加热时间相等的条件下,脉冲式感应钎焊的钎着率更高,工艺窗口更宽即焊接质量更稳定。钎焊接头界面组织是由银基固溶体、铜基固溶体和少量银铜共晶组织组成的。随着保持时间或者电流的增加,形成接头的银基固溶体也不断增加,银铜共晶组织不断减少。为了满足电工触头感应钎焊自动化生产的需求,对基于电参数在线钎着率监测(最终的目标是监控)方案进行研究。通过对感应钎焊电流、电压和功率等过程电参数与钎着率之间关系研究发现,在连续式和脉冲式感应钎焊的条件下,过程电参数积分值与钎着率之间的关系曲线均可以分为钎料未熔化区、上升区、稳定区(钎着率基本稳定在80%以上)、下降区四个区域。这是由于过程电参数积分值与感应加热电源的输出能量成正比,感应加热电源输出能量则直接影响钎料的熔化情况、钎着率的变化规律。对稳定区电参数提取相应的合理偏离度,通过偏离度划分质量等级、给定比例因子,对钎着率进行模糊综合评判,通过钎着率等级预测结果和测量结果的对比可以发现,准确率分别可以达到97%、99%。此外,鉴于过程电参数与钎着率之间的关系,在后续的工作中可以以过程电参数作为反馈量,对电工触头感应钎焊焊接质量的闭环控制进行研究。鉴于电工触头焊后钎着率测量效率比较低,只能实现对批量产品离线抽检,提出了基于电工触头电阻的焊后在线快速无损钎着率评估方案。通过对电工触头电阻与钎着率之间的关系研究,发现电流会在未钎透缺陷附近产生绕流现象,在缺陷附近区域产生一定的弱电流密度区,电流的导通通道变窄。因此,随着未钎透缺陷面积的减小即钎着率的增加,触头电阻不断减小。由于缺陷附近本身存在一定的弱电流密度区,缺陷高度的变化(0.3mm范围之内)对电阻影响不大。由此总结可知,电阻和钎着率均是反映未钎透缺陷的面积。采用大功率中频逆变电阻焊机(最大输出电流60kA)对电工触头电阻进行测量,借助于电阻热和电极压力在最大程度上消除接触电阻,提高电阻测量的准确性和稳定性。通过测量工艺优化,采用多脉冲(6个脉冲)代替单脉冲的方法对电工触头电阻进行测量。电极压力为3000N,每个脉冲通电时间为100ms。第一个脉冲采用大电流(30000A)消除接触电阻,后续脉冲采用小电流(20000A),避免测量区温度升高导致的电阻测量误差,同时借助于脉冲间隔时间(1000ms)之内的水冷散热对测量区进行降温。将第三个到第六个脉冲稳态电阻的平均值近似为触头电阻,并分析其与触头钎着率之间的关系。利用电阻对电工触头钎着率进行评估,通过对实测值和预测值的比较发现,钎着率的均方根误差和最大误差分别为3.05%、5.47%。由此说明,利用电阻对电工触头进行焊后在线快速无损质量评估的方案是可行的。
【图文】：

示意图,低压电器设备,示意图,电工

图 1-2 低压电器设备工作示意图[2]. 1-2 Working diagram of low voltage electrical equipm环境也会对电工触头工作过程中的电弧持续，Makimoto J[18, 19]等人对电工触头在空气和氮

电阻钎焊,H62黄铜,触点,焊接触头

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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM503.5;TG454

【参考文献】