专利名称：控制接触焊的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制接触焊的方法和设备，其中接触焊可以在高频下操作开关，并且可以在低频下将交流提供给进行接触焊的工件。
近年来，在电源中使用变换器的接触焊机已经广泛使用了。
图15表示一种典型现有技术的变换器接触焊机的装置。变换器电路100包括开关元件。根据来自变换器控制102的控制脉冲CP，变换器电路100将直流电压E变换为具有高频的脉冲交流电I1(原边电流)。来自变换器电路100的脉冲交流I1被提供给焊接变压器104的原边线圈。因此，变压器副边线圈将提供副边脉冲交流电，其与原边脉冲交流I1成正比。副边脉冲借助于具有一对二极管106a和106b的整流电路106而变换为直流I2。副边直流或焊接电流I2通过焊接电极108和110而流过工件W1和W2。
该变换器接触焊机还可应用于工件同时两点的接触焊(单边多极焊接)，典型地是指用于电子元件的小金属焊接。
图16表示出单边多极焊接。在图16中，一对焊接电极108和110通过加压系统(未示出)产生的焊接力而保持在工件W1和W2一侧间隔位置上并与工件W1和W2的压力接触。在焊接过程中，焊接直流I2沿点划线指示的次序流过第一焊接电极108，第一工件W1，第一焊接点Pa，第二工件W2，第二焊接点Pb，第一工件W1，和第二焊接电极110。直流电使在接缝表面上的工件W1和W2的第一和第二焊接点Pa和Pb上的金属通过焦耳热熔化。在焊接之后，焊接点固化，使得工件金属接合。
使用该现有技术变换器接触焊机的单边多极焊接的问题在于，由于珀尔帖效应(Peltier effect)，会以大小不一的方式在焊接点Pa和Pb上形成焊点熔核Na和Nb(熔化金属的淀积)。按照珀尔帖效应，电流流过的不同金属之间的接点不仅产生焦耳热，而且要根据电流的方向产生或吸收热。
在单边多极焊接中，在工件(不同金属)W1和W2之间焊点Pa(接触点)上的焊接电流I2的方向与第二焊点Pb上的相反。特别是，如图16所示，焊接电流I2在第一焊接点Pa上由工件W1流到工件W2，而在第二焊接点Pb上，焊接电流I2由工件W2流到工件W1。
由于在焊接点Pa上的焊接电流I2的方向与在焊接点Pb上的相反，因此对于焊接点中的某一个来说，第一个焊接点Pa要经受珀尔帖效应的热吸收，而另一个焊接点或第二焊接点Pb要经受珀尔帖效应的热产生(即使在这些焊点Pa和Pb上会产生相同的焦耳热)。因此，在第一焊点Pa上的焊点熔核Na会以相对小的尺寸形成，而在第二焊点Pb上的焊点熔核Nb会以相对大的尺寸形成，如图16所示。由于接触焊的强度与焊点熔核成正比，所以不同大小的焊点熔核Na和Nb意味着在焊点上接合强度的变化和不良的焊接质量。
对于现有技术中存在的问题，本发明目的就是提供一种用于控制接触焊的方法和设备，其能够以均匀的焊接强度并在较短的时间内在多个焊点上(如在单边多极焊接的情况下)同时使工件接合。
本发明的另一个目的是提供一种用于控制接触焊的方法和设备，其能够尽量减少改变相反极性焊接周期所需要的停顿时间，由此改进焊接质量并保护开关元件。
根据本发明的一个方面，提供一种用于控制接触焊的方法，其中工件在间隔的接触位置与第一和第二焊接电极保持压力接触，并且焊接电流通过第一和第二焊接电极流过工件，由此焊接在第一和第二点上的工件，它们分别对应于第一和第二焊接电极的接触位置，该方法包括下列步骤将具有市电频率的交流电通过整流电路变换为直流电，将直流电提供给双向开关装置，将双向开关装置的输出提供给焊接变压器的原边线圈，和将在焊接变压器副边线圈上所感应的电压施加到第一和第二焊接电极，使得焊接电流流过工件；和在焊接期间的第一半周过程中在高频下以第一极性持续转换所述开关装置，并在焊接期间的第二半周过程中在高频下以第二极性持续转换开关装置。
采用该设置，在完成焊接过程的最后，在第一和第二焊点上的焊点熔核增长为基本相同的大小。因此，用于控制接触焊的本发明方法可以以均匀的焊接强度和在短的焊接时间内同时接合各工件的多个点(即在单边多极焊接的情况下)。
根据本发明的另一方面，提供一种用于控制接触焊的设备，其包括整流电路，用于将具有市电频率的交流电变换为直流电；双向开关装置，用于将整流电路的直流电变换为具有高频的脉冲；
焊接变压器，其具有用以接收所述开关装置输出的原边线圈，和用以在高频下输出脉冲电压的副边线圈；一对焊接电极，其横跨接焊接变压器的副边线圈，用以在间隔位置与工件进行压力接触；开关控制装置，用于按多个焊接周期限定接触焊操作的焊接时间，用以在多个焊接周期的奇数焊接周期过程中在预定高频下以第一极性持续转换开关装置，并用以在多个焊接周期的偶数焊接周期过程中在预定高频下以第二极性持续转换开关装置；电流检测装置，用于检测焊接变压器的原边或副边电流，由此提供检测电流信号；电流监视装置，用以在每个焊接周期之后立即基于电流检测装置的检测电流信号监视电流，由此在电流已经达到预定监视值时检测时间；和焊接周期起始装置，用以根据电流监视装置所检测的时间开始下一焊接周期。
采用该装置，紧接在多个焊接周期中的每个焊接周期之后，其中由一个焊接周期到另一焊接周期极性交替地变化，焊接变压器的原边或副边的拖尾电流(trailing current)被检测，用以检测在电流达到预定监视数值时的时间。根据该时间，起始下一焊接周期。如此，由一个焊接周期转换到另一焊接周期所需的停顿时间可以减至最少。由于尽量减少了在停顿时间内的热损耗，该装置不仅可以保护开关元件还可以改进焊接的质量。
下面将参照附图更清楚地说明本发明的上述和其它目的及优点，附图中图1是表示按照本发明用于单边多极焊接的接触焊机的一个实施例的线路布置图；图2是表示该实施例接触焊机基本焊接方式的波形图；图3是工件的局部截面图，其表示该实施例中接触焊机的操作；图4是表示该实施例中的接触焊机的优选焊接方式的波形图；图5是表示该实施例中接触焊机另一优选焊接方式的波形图；图6是表示在该实施例的接触焊机中由一个焊接周期转换到另一周期中存在问题的波形图；图7是在该实施例的接触焊机焊接时间过程中提供给工件的焊接能量的示意图；图8是表示在该实施例的用以进行接触焊接的接触焊接设备中的控制操作的流程图；图9是表示在该实施例的接触焊机中用以启动新的焊接周期的时序图；图10是工件的局部截面图，其表示该实施例接触焊机的另一种操作；图11是表示在该实施例的接触焊机中设置的焊接电流波形的示意图；图12是表示在该实施例的接触焊机中持续地转换焊接电流极性的时序图；图13是表示根据本发明的单相交流接触焊机的一实施例的线路布置图；图14是表示图13中的接触焊机的焊接方式的波形图；图15是表示典型现有技术的变换器接触焊机的线路布置图；和图16是工件的局部截面图，其示出在用于单边多极焊接的现有技术变换器接触焊机中存在的问题。
图1表示根据本发明用于单边多极焊接的接触焊机一实施例的线路布置。接触焊设备使用单相交流电源10，其具有市电频率(50Hz或60Hz)和电压(如，100V)。根据本发明，在接触焊设备中提供有双向开关装置30。该双向开关装置30包括四个晶体管开关元件32，34，36和38，其中每个均通过GTR(巨型晶体管giant transistor)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)来实现。
在这些开关元件32-38中，用于正极的第一对开关元件32和36可以通过来自驱动器电路58的第一开关控制信号Fa在预定高频(如8kHz)下同时进行通-断控制或开关，而用于负极的第二对开关元件34和38则通过来自驱动器电路58的第二开关控制信号Fb在预定高频(8kHz)下同时进行通-断控制。
开关装置30的输入端La和Lb连接于下述整流电路28的输出端上。开关装置30的输出端Ma和Mb跨接在焊接变压器46的原边线圈上。一对焊接电极48和50直接地(不通过任何整流电路)跨接在焊接变压器46的副边线圈上。在焊接过程中，焊接电极48和50通过加压系统(未示出)的焊接力在间隔接触位置建立并保持与不同金属工件W1和W2的压力接触。
整流电路28主要包括一对二极管20和22和一对电容24和26。二极管20的阳极和二极管22的阴极连接于交流电源10的一端10a上。二极管20的阴极连接于电容24的一端和开关装置30的一输入端La上。电容24的另一端连接于电容26的一端和交流电源10的另一端10b上。电容26的另一端连接于二极管22的阳极和开关装置30的另一输入端Lb上。
在全波整流电路28中的二极管20将交流电源10所提供的市电交流电压对其每个正半周进行半波整流，用以给电容24充电。而二极管22将交流电源10所提供的交流电压对其每个负半周进行半波整流，用以给电容26充电。电容24和26以这样的方式串联连接，使得电容24的两端充电电压可与电容26的两端充电电压相加，以提供整流电路28的输出直流电压。整流电路28的输出电压可施加于开关装置30的输入端La和Lb上。
主电源开关12a，扼流圈14和限流电阻16串联连接于交流电源10的一端10a，与二极管20的阳极和二极管22的阴极之间。旁路开关18与限流电阻16并联连接。主开关12b可放入交流电源10的另一端10b与电容24和26之间的结点之间。限流电阻16根据主开关12a和12b的闭合对电容24和26进行初始充电。它在初始充电之后被旁路。
以这种方式，使整流电路28可将100V的市电交流电压由单相交流电源10变为给电容24和26充电的约280V的升高的直流电压。
开关装置30进一步包括跨接在输入端La和Lb上的开关噪声降低电路。开关噪声降低电路包括电阻40，二极管42a和42b和电容44a和44b，如图所示连接。
如换流器形式的电流传感器52可设置在开关装置30的输出端与焊接变压器46的原边线圈之间的电路中。在焊接操作过程中，电流传感器52产生检测电流信号，其表示原边电流I1的瞬时值。来自电流传感器52的检测电流信号<I1>可提供给控制器56和电流测量电路54。
电流测量电路54可以按由电流传感器52的检测电流信号<I1>对每个开关周期测量的电流值[I1]确定原边电流I1的有效或平均值。将测量的电流值[I1]提供给控制器56。
控制器56包括微机，其具有CPU，ROM(程序存储器)，RAM(数据存储器)，时钟脉冲电路，接口电路等。在本实施例中，控制器56可提供反馈恒定电流控制。对于恒定电流控制，控制器56可将电流测量电路54的测量电流值[I1]与存储在存储器中的预选电流值<Is>进行比较，以获得其间的误差。由该误差，可使控制器56针对下一个开关周期确定开关装置输出脉冲的宽度，并将开关控制信号F以确定开关装置输出脉冲的脉宽调制(PWM)信号形式提供给驱动器电路58。
控制器56还可控制开关12a和12b以及旁路开关18。然而，主开关12a和12b可以手动操作。输入单元60包括指示装置，如键盘或鼠标，用以输入并设置数据。在本实施例中所设置的主焊接条件数据包括原边或副边(焊接)电流I1，I2，整个焊接时间，焊接时间的第一半周(第一焊接周期)和焊接时间的第二半周(第二焊接周期)。控制器56还可连接其它外围装置，如显示装置和打印机(未示出)。
现在参照图2和3来描述本实施例接触焊机的基本操作。
为了启动焊接操作，控制器56闭合主开关12a和12b，用以对整流电路28中的电容24和26进行初始充电，以达到预定电压(如280V)。为了初始充电，控制器56将旁路开关18置于断开位置。由此，使充电电流通过限流电阻16。
在电容24和26初始充电以后，外部装置(未示出)如焊接机器人可提供起始信号ST。然后，控制器56启动焊接操作。起始信号ST不仅表示焊接操作的开始，还表明焊接操作的条件或进度数量。
对于如图3所示的工件W1和W2的单边多极焊接来说，控制器56持续地在焊接期间的第一半周TA过程中通过PWM控制只开关第一对(正极对)开关元件32和36，而在焊接期间的第二半周TB过程中，其持续地通过PWM控制只开关第二对或负极对开关元件34和38。
结果，在焊接期间的第一半周TA中，开关装置30将正极的输出电压脉冲提供给焊接变压器46的原边线圈，使得具有通常梯形的正焊接电流I2在副边电路中流动，如图2所示。如图3的部分(A)所示，焊接电流I2在第一焊接电极48，第一工件W1，第一焊接点Pa，第二工件W2，第二焊接点Pb，第一工件W1，第二焊接电极50这样顺序的通路中流动。特别是，在第一焊接点Pa上，焊接电流I2由第一工件W1流到第二工件W2上，而在第二焊接点Pb上，焊接电流I2由第二工件W2流回到第一工件W1上。由此，第一焊接点Pa可经受珀尔帖效应的热吸收，而第二焊接点Pb可经受珀尔帖效应的热产生。因此，在焊接期间的第一半周TA中，在第二焊接点Pb上的焊接熔核Nb的生长要大于在第一焊接点Pa上的焊接熔核Na。
在焊接期间的第二半周TB过程中，开关装置30以负极性将输出电压脉冲提供给焊接变压器46的原边线圈，使得具有通常梯形的负焊接电流I2在副边电路中流动。此时，焊接电流I2在第二焊接电极50，第一工件W1，第二焊接点Pb，第二工件W2，第一焊接点Pa，第一工件W1第一焊接电极48这样顺序的反向通路中流动，如图3的部分(B)所示。现在，在第一焊接点Pa上，焊接电流I2由第二工件W2流到第一工件W1上，而在第二焊接点Pb上，焊接电流I2由第一工件W1流到第二工件W2上。由此，第一焊接点Pa要经受珀尔帖效应的热产生，而第二焊接点Pb经受珀尔帖效应的热吸收。因此，在焊接期间的第二半周TB中，第一焊接点Pa上的焊接熔核Na生长要大于第二焊接点Pb上的焊接熔核Nb。
因此，在焊接期间的第二半周TB结束时或整个焊接期间结束时，第一焊接点Pa上的焊接熔核Na与第二焊接点Pb上的焊接熔核Nb生长为基本相同的大小。由此，第一和第二焊接点Pa和Pb提供了均匀的焊接强度。
可以将TA和TB的第一和第二半周的每个持续时间减小为5毫秒。由于控制焊接电流I2具有梯形波形，所以工件W1和W2的热效率相对较高，使得在大约10毫秒相对短的焊接期间可获得足够大的焊接熔核或令人满意的焊接强度。在单相交流系统的情况下，即使单一周期也要花20毫秒(对于50Hz)并且热效率相对较低，使得焊接时间需要两或三个周期(40-60毫秒)。
如上所述，在焊接期间的第二半周TB中，其中产生相反的珀尔帖效应，会使第一焊接点Pa上的焊接熔核Na以比第二焊接点Pb上的焊接熔核Nb的较高生长率生长，使得焊接熔核Na的大小接近焊接熔核Nb的大小。然而，要注意的是，在焊接期间的第一半周TA中所形成的焊接熔核已经减小了电流通路的电阻和热效率，使得在第二半周TB中的焊接熔核Na和Nb的生长速率要比第一半周TA中的低。由此，在焊接期间第二半周TB中的焊接熔核Na和Nb之间的生长速率差(Na＞Nb)将小于在第一半周TA中的生长速率差(Na＜Nb)。由于该原因，在焊接期间的第二半周TB结束时，焊接熔核Na的大小可能不会达到焊接熔核Nb的大小。
该问题可以通过延长焊接期间的第二半周TB的时间使其比第一半周TA长一定适当的时间TC来克服。在第二半周的延长期TC中，焊接熔核Na可能会达到焊接熔核Nb的大小。满足达到条件的延长时间TC取决于焊接条件，其包括工件W1和W2的材料和厚度，第一半周TA的持续时间，预选电流值Is等，并且可通过如焊接实验来实验地加以确定。
在另一种情况下，可选择在焊接期间的第二半周TB中用以恒定电流控制的原边或副边预选电流值IB1或IB2，使其比在第一半周TA中用以恒定电流控制的原边或副边预选电流值IA1和IA2大预定值Ic，如图5所示。
在焊接期间的第二半周TB中，由于相反的珀尔帖效应，使得在第一焊接点Pa上的焊接熔核Na以比第二焊接点Pb上的焊接熔核Nb快的生长速度生长，使得焊接熔核Na的大小接近于焊接熔核Nb的大小。由于第二半周中的焊接电流IB2被控制得比第一半周TA中的焊接电流IA2大，所以增大了焊接熔核Na大小与焊接熔核Nb大小的接近速率，使得在具有与第一半周TA相同持续时间的第二半周TB结束时，焊接熔核Na的大小可达到焊接熔核Nb的大小。满足达到此条件的附加电流值Ic取决于焊接条件，其包括工件W1和W2的材料和厚度，第一半周TA的持续时间，预选电流值IA等，并且其可通过焊接实验而实验地加以确定。
在正极下的电流大小根据珀尔帖效应或其它条件可与负极下的不同。然而，根据本发明的接触焊机，可以稳定地获得所需恒定电流控制，因为，其通过PWM控制控制了电流，使得电流在焊接期间的每半周TA，TB以预定方向或极性流动。
在本发明的接触焊机中，开关装置30在例如8KHz的高频下操作开关，使由焊接期间的每半周期TA，TB确定其频率的电流可在焊接变压器46中流动。由此，焊接变压器46可通过采用市电频率而不是高频类型的普通单相变压器来实现。
由于转换开关装置30的极性，因而在焊接期间的第一半周TA结束与第二半周TB的开始之间需要停顿时间TH，如图6所示。在第一半周TA结束时，开关装置30的转换操作停止。然而，副边焊接电流I2要拖后并要花一定时间完全降低。在原边电路中，正比于副边焊接电流的原边电流I1还会流动。如果在图6的虚线IW′所示电流下降期间的相反极性的下一焊接周期开始的话(如果用于相反极性的开关元件如图6的虚线P1′所示被接通的话)，由于先前焊接周期焊接电流的过渡，使电压可直接施加于已经传导的开关元件上，由此会马上破坏这些开关元件。
在焊接期间结束时电流的下降时间取决于负载(特定工件)的变化。为了安全地保护开关元件，可以给停顿时间TH提供充足的裕度。然而，较长的停顿时间TH相应地会延长在提供给工件的焊接能量时间曲线中能量减小的时间TF，如图7所示，由此，会降低接触焊接的热效率并降低焊接质量。特别是，对于电子器件用的较小工件，由于该工件极易被损害，所以必须尽量减小焊接时间。热效率的降低会大大地影响焊接质量。
为了克服上述问题，本发明接触焊机使用了有益的极性转换方法。根据该方法，在焊接期间的第一半周TA以后，立即监视原边电流I1，以检测电流I1下降到预定监测值时的时间。第二半周TB根据该时间启动。采用该极性变换方法，使得用以转换或变换焊接周期所需要的停顿时间可以尽可能地减小到最小，使开关元件可以得到安全的保护。在停顿期间热效率的减低可以达到最小，使得焊接质量得到改善。
图8是表示用以进行极性变换和PWM控制的控制器56操作的流程图。图9表示根据本发明的极性变换方法当下一焊接周期开始时的时序。采用了该极性变换方法，便可以在控制器56中预设电流监测值Ik、初始脉冲宽度D0等。在本实例中，“电流监测值Ik”是指代替“停顿期间TH”的焊接条件，其通常可设置为零安培或近似零安培。“初始脉冲宽度D0”特指在每个焊接周期TA中初始脉冲的脉冲宽度(接通时间)。
在图8中，根据外部设备如焊接机器人所发出的起始信号St，控制器56从存储器读出用于本焊接操作的预选数据，其包括原边电流的预选值Is、电流监测值Ik、初始脉冲宽度D0等，并且将它们设置在预定存储位置、寄存器、定时器或计数器中，以开始焊接操作(步骤S1)。
接着，控制器56将具有初始脉冲宽度D0的第一转换控制信号Fa通过驱动电路58提供给开关装置30中的第一或正极对开关元件32和36，由此，接通开关元件32和36(步骤S2)。处于正极性下的第一焊接周期TA在时间点tsl处开始。
在第一开关周期过程中，焊接电流IW和原边电流I1分别流入焊接变压器46的副边和原边电路。然后，电流传感器52输出代表原边电流I1瞬时值的检测电流信号<I1>。电流测量电路54输出在开关周期中原边电流I1测量电流值[I1](有效或平均值)。
控制器56从电流测量电路54读出测量电流值[I1](步骤S3)，将测量电流值[I1]与预选电流值[Is]进行比较以得出测量电流值[I1]的误差，并且由该误差确定下一个开关周期的脉冲宽度(接通时间)D1(步骤S4)。
在第二开关周期过程中，控制器56将具有脉冲宽度D1的第一开关控制信号Fa提供给开关装置30中的第一或正极开关元件对32和36，由此接通这些开关元件32和36(步骤S6，S2)。
以这种方式，在第一焊接周期TA1过程中，在开关装置30中只有第一对开关元件32和36(对于正极性)在反馈脉宽控制基础上在高频(8kHz)下持续地转换(步骤S2-S6)。同时，第二对开关元件34和38(对于负极性)保持截止状态。结果，在焊接变压器46的副边电路中，具有对应于预选电流值[Is]大小的恒定电流控制的焊接电流IW以正极性方向流动。
在焊接时间的第一周期TA或第一半周TA的最后，控制器56不再将第一开关控制信号Fa提供给用于正极性的第一对开关元件32和36，或不再从电流测量电路54中读出测量电流值[I1]。而控制器56从电流传感器52中读出检测电流信号<I1>，由此监测原边电流I1或焊接电流IW的瞬时值(步骤S8)。监测周期对应于停顿时间TH，其中电流I1(IW)从由此时的负载阻抗所确定的一时间常数处下降。
根据在电流I1(IW)已经达到电流监测值[Ik]时检测的时间tE，控制器56结束监测周期或停顿时间TH，并且开始负极性下的焊接时间的第二焊接周期或第二半周TB。特别是，控制器56设置初始脉冲宽度D0(步骤S10)，并且在刚过检测时间tE的时间点tS2处，通过驱动电路58将具有初始脉冲宽度D0的第二开关控制信号Fb，提供给开关装置30中用于负极性的第二对开关元件34和38，由此接通开关元件34和38(步骤S11，S2)。
在第二焊接周期TB过程中，只有开关装置30中用于负极性的第二对开关元件34和38在反馈脉宽控制基础上在高频(8kHz)下持续地转换(步骤S2-S6)。同时，用于正极性的第一对开关元件32和36保持截止状态。因此，在焊接变压器的副边电路中，具有幅度对应于预选电流值[Is]的恒定电流控制的焊接电流IW以负极性方向流动。
在本实例中，整个焊接时间TG在焊接时间的第二焊接周期或第二半周TB的最后结束，使得控制器56终止焊接操作(步骤S7)。按照这种极性转换方法，在焊接时间的第一半周TA结束与第二半周TB开始之间的停顿期间TH的持续时间不是恒定的，其取决于当时的电流拖尾特性。该方法可尽快地开始第二焊接周期TB，并且尽量减少焊接时间TG，同时保护开关元件32-38避免受短路的损坏。由此，该方法按需要最大限度地缩短了停顿时间TH。该极性转换方法减小了在转换或轮换焊接周期时在工件W1和W2焊接点上焊接能量或焦耳热的暂时降低。
在图示的实施例中，可控制焊接点Pa和Pb上的焊接熔核Na和Nb，使得其以基本相同的大小生长，从而提供均匀的焊接强度。然而，本发明还可以用于如图10中所示的单边多极焊接，其可以调整焊接时间的第一半周TA和第二半周TB的每个持续时间。
在图10中，可将具有U形截面的工件W2与分别在其两侧上的相对厚的工件板W1和与工件W1材料相同的相对薄的工件板W1′焊接在一起。为了平衡焊接强度，最好是使相对厚的工件W1焊接点Pa上的焊接熔核Na大于相对薄的工件W1′焊接点Pb上的焊接熔核Nb。U形工件W2的内部空间在焊接操作过程中可填充支撑条电极62。
图11表示由输入单元60设置到控制器56中的焊接电流I2的波形。在该例中，焊接期间第一半周TA中焊接电流的波形(具有上坡形式以IA表示)与第二半周TB中的焊接电流波形(具有下坡形式以IB表示)相对于预定时间点t0成点对称形式。
在操作中，控制器56持续地根据具有上坡的波形IA和具有下坡的波形IB的时间改变预选值[Is]，使得焊接电流I2在PWM控制基础上进行控制，以便按照设置流动。
为了在焊接时间的第二半周TB中设置与第一半周TA成点对称的焊接电流波形，输入单元60可只输入第一半周TA的焊接电流波形。然后，控制器56会自动地设置与第一半周TA点对称的第二半周TB焊接电流波形。因此，可以简化设置。再有，正极性电流的大小与负极性电流的大小相同，使得焊接变压器可以不受极化磁饱和的影响。
根据本发明，可以按需要选择焊接时间的第一半周TA和第二半周TB的每个持续时间或其比例，用以调节焊接点Pa和Pb上所形成的各个焊接熔核Na和Nb的尺寸或其比例。这意味着会加强第一半周TA相对于第二半周TB持续时间上的不平衡。在这种情况下，应防止焊接变压器46受到极化磁饱和的影响。为此，可以使用防止磁饱和技术，例如在日本专利昭64-22477号公报中所公开的，其已转让给本申请的相同受让人。
根据防止磁饱和技术，可以监视每个原边电流脉冲上升沿与下降沿之间的中间部分。将中间部分的电流变化速率与标准变化速率进行比较。通过变化率的误差，可以检测其磁饱和程度。然后，控制开关装置的开关操作，以便取消误差，由此调整脉冲宽度，并有效迅速地抑制极化磁饱和。该技术可以通过在控制器56中所建立的软件来实现。
结合图9所描述的本发明极性转换方法不限于在正极与负极之间只改变一次极性的焊接操作，该技术还可以应用于极性可以改变许多次的接触焊操作，如图12所示。
在图12的情况下，许多焊接周期构成了单一接触焊操作的焊接时间。在多个焊接周期中，将奇数周期(TA1，TA3，等)用于正极，而将偶数周期(TB2，TB4，等)用于负极。另一方面，也可将奇数周期用于负极，而将偶数周期用于正极。焊接时间可以根据持续时间(秒)来加以设置，以代替将焊接时间设置为多个焊接周期的整体。如果需要，可以通过半周期处停止预定焊接周期(如，最后的)或通过将各焊接周期设置为不同的持续时间来进行可变控制。
上述接触焊设备使用了整流电路28，用以将单相交变电流和电压变换为直流电流和电压。整流电路28通过100V市电交流电电压产生高(如，大约280V)直流电压。另外，可以使用三相整流电路，以将三相交流电压变换为直流电压。开关装置30的构成在这里只是用以说明，其可以以许多方式进行改型。可以检测副边焊接电流I2以代替检测原边电流I1。
现根据本发明描述单相交流接触焊机。
图13表示该单相交流接触焊机的配置。在图13所示接触焊机中，通过输入端62和64接收具有市电频率的交流电源电压E。将供电电压E通过作为接触器的一对晶闸管66和68提供给焊接变压器70的原边线圈。将在焊接变压器70副边线圈中所产生的交流感应电动势(副边电压)通过一对焊接电极72和74提供给工件W1和W2，使得焊接电流I2在副边电路流动。正比于焊接电流(副边电流)I2的原边电流I1在原边电路流动。
焊接电流I2的幅值(有效值)通过通电角(conduction angle)而确定。由于起通角(firing angle)与通电角具有确定关系，也可以说，焊接电流I2的大小可以通过起通角加以确定。在所示接触焊机中，控制器76可借助于启动电路78控制晶闸管66和68的起通角(启动时间)，以控制焊接电流I2的有效值。
通过输入端62和64所接收的市电频率下的交流电源电压E还可施加到同步变压器80的原边线圈上。变压器80的副边线圈会产生与电源电压同相的降低的交流电压e。将电压e提供给同步检测电路82和电源电压检测电路84。同步检测电路82会通过进入的交流电压e(50或60Hz)产生与交流电源电压E同步的时间信号SE。将时间信号SE馈送给控制器76。电源电压检测电路84会通过接收到的交流电压e产生检测电压信号VE，其代表电源电压E。将检测电压信号VE提供给控制器76，以进行电源电压的补偿。
控制器76包括微机，其包括CPU、ROM(程序存储器)、RAM(数据存储器)、接口电路等。输入单元86包括输入装置，如键盘或鼠标，用以输入并设置电流值、起通角等。
本发明的接触焊机使用电源电压的单一周期并采用电源电压补偿技术进行单边多极焊接。电源电压补偿技术可检测电源电压的变化并控制焊接电流，以便补偿该变化。电源电压补偿技术系统具有迅速反应的特性，并且适用于单周期的焊接操作。
图14是根据本发明的该接触焊机单周期焊接操作的时序图。
采用该种类型的交流接触焊机，当起通角Φ与功率因数角θ一致时，焊接电流I为连续的正弦波，即所谓全热电流波形。当起通角Φ滞后功率因数角θ一延迟ζ时，无电压周期出现在焊接变压器的原边电路中，使得焊接电流I变得不连续且峰值降低，即所谓热控制电流波形。当起通角Φ的延迟ζ进一步增加时，无电压周期延伸，由此进一步降低了焊接电流I。采用该方式，使焊接电流I的大小受到改变起通角Φ的控制。
根据本发明，将在第二半周中的起通角ΦB设置成比第一半周中的起通角ΦA小预定值ζC。具体说，将起通角ΦB的延迟ζB设置成比起通角ΦA的延迟ζA小预定值ζC。结果，对应于第二半周的第二焊接周期TB中流过的焊接电流I2的量大于对应于第一半周的第一焊接周期TA中流过的焊接电流I2的量。
以这种方式，在第一焊接周期TA中，工件W1和W2上的焊接熔核会象图3部分(A)所述情况一样生长，而在第二焊接周期TB中，在工件W1和W2上的焊接熔核会象图3部分(B)所述情况一样生长。在第二焊接周期的结束，焊接熔核Na和Nb已生长为基本相同的大小。第二焊接周期TB中允许焊接熔核Na大小达到焊接熔核Nb大小的起通角ΦA与ΦB之间的差ζC取决于焊接条件，其包括工件W1和W2的材料和厚度、在第一焊接周期TA中的起通角ΦA等，并且其可通过焊接实验来确定。
权利要求
1.一种用以控制接触焊的方法，其中将工件在间隔接触位置上保持与第一和第二焊接电极的压力接触，并使焊接电流通过第一和第二焊接电极流过工件，由此在对应于第一和第二焊接电极接触位置的第一和第二点上分别焊接工件，该方法包括下列步骤将具有市电频率的交流电通过整流电路变换为直流电，将直流电提供给双向开关装置，将所述双向开关装置的输出提供给焊接变压器的原边线圈，和将在焊接变压器副边线圈中的感应电压施加到第一和第二焊接电极上，使得焊接电流流过副边电路中的工件；和在焊接时间的第一半周过程中，在高频下持续地转换第一极性下的所述开关装置，并且在所述焊接时间的第二半周过程中，在高频下持续地转换第二极性下的所述开关装置。
2.如权利要求1的方法，其中所选择的所述焊接时间的所述第一半周和第二半周相互间具有几乎相等的持续时间。
3.如权利要求2的方法，其中在所述焊接时间的第一半周中的焊接电流波形与在所述焊接时间的第二半周中的焊接电流波形被设置成相对于焊接时间的预定点成点对称。
4.一种用以控制接触焊的设备，其包括整流电路，用以将具有市电频率的交流电变换为直流电；双向开关装置，用以将来自整流电路的直流电变换为具有高频的脉冲；焊接变压器，其原边线圈用以接收所述开关装置的输出，其副边线圈用以在高频下输出脉冲电压；第一和第二焊接电极，跨接在所述焊接变压器的副边线圈上，用于在间隔位置上与工件保持压力接触；和开关控制装置，用以在焊接时间的第一半周过程中，在高频下持续地转换第一极性下的所述开关装置，并且在焊接时间的第二半周过程中，在高频下持续地转换第二极性下的所述开关装置。
5.如权利要求4的设备，其中所述开关控制装置包括电流检测装置，用以检测每个开关周期的所述焊接变压器的原边电流和副边电流，由此确定其测量电流值；和脉宽控制装置，用以将来自所述电流检测装置的所述测量电流值与期望的电流值进行比较，由此提供其间的误差，并且用以通过所述误差确定用于下一开关周期的所述开关装置输出脉冲的脉宽。
6.如权利要求4的设备，其中所述整流电路包括第一和第二二极管，其每个具有阳极和阴极，第一二极管的阳极和第二二极管的阴极连接于具有市电频率的单相交流电源的一端上；第一电容，其一端连接于所述第一二极管的阴极和所述开关装置的一个输入端，其另一端连接于所述单相交流电源的另一端上；和第二电容，其一端连接于所述单相交流电源的另一端上，并且其另一端连接于所述第二二极管的阳极和所述开关装置的另一输入端上。
7.如权利要求5的设备，其中所述整流电路包括第一和第二二极管，其每个具有阳极和阴极，第一二极管的阳极和第二二极管的阴极连接于具有市电频率的单相交流电源的一端上；第一电容，其一端连接于所述第一二极管的阴极和所述开关装置的一个输入端，其另一端连接于所述单相交流电源的另一端上；和第二电容，其一端连接于所述单相交流电源的另一端上，并且其另一端连接于所述第二二极管的阳极和所述开关装置的另一输入端上。
8.一种用以控制接触焊的方法，其中将工件在间隔接触位置上保持与第一和第二焊接电极的压力接触，并使焊接电流通过第一和第二焊接电极流过工件，由此在对应于第一和第二焊接电极接触位置的第一和第二点上分别焊接工件，该方法包括下列步骤将接触焊操作的焊接时间分成第一和第二焊接周期；控制所述焊接电流，使其在所述第一焊接周期在第一极性下流动；和控制所述焊接电流，使其在所述第二焊接周期在第二极性下流动，并使得在所述第二焊接周期中所流动的焊接电流量比在所述第一焊接周期中所流动的焊接电流量大预定值。
9.如权利要求8的方法，其中所选择的所述第二焊接周期比所述第一焊接周期长预定时间。
10.如权利要求8的方法，其中所选择的在所述第二焊接周期中的焊接电流预选值比所述第一焊接周期中的焊接电流预选值大预定值。
11.一种用以控制接触焊的设备，包括整流电路，用以将具有市电频率的交流电变换为直流电；双向开关装置，用以将来自整流电路的直流电变换为具有高频的脉冲；焊接变压器，其原边线圈用以接收所述开关装置的输出，其副边线圈用以在高频下输出脉冲电压；第一和第二焊接电极，跨接在所述焊接变压器的副边线圈上，用于在间隔位置上保持与工件压力接触。焊接周期设置装置，用以将接触焊操作的焊接时间分成第一和第二焊接周期，并且用以设置所述第二焊接周期使其比所述第一焊接周期长预定时间；和开关控制装置，用以在所述第一焊接周期中，在高频下持续地转换第一极性下的所述开关装置，并且在所述第二焊接周期中，在高频下持续地转换第二极性下的所述开关装置。
12.一种用以控制接触焊的设备，包括整流电路，用以将具有市电频率的交流电变换为直流电；双向开关装置，用以将来自整流电路的直流电变换为具有高频的脉冲；焊接变压器，其原边线圈用以接收所述开关装置的输出，其副边线圈用以在高频下输出脉冲电压；第一和第二焊接电极，跨接在所述焊接变压器的副边线圈上，用于在间隔位置上保持与工件压力接触；焊接周期设置装置，用以将接触焊操作的焊接时间分成第一和第二焊接周期，并且用以设置所述第二焊接周期使其持续时间与所述第一焊接周期的持续时间几乎相等；电流设置装置，用以设置所述焊接变压器原边或副边电流的第一和第二电流值，使得所述第二电流值比所述第一电流值大预定值；和开关控制装置，用以在所述第一焊接周期中在高频下持续地转换第一极性下的所述开关装置，使具有与所述第一电流值几乎相等的原边或副边电流流动，并且在所述第二焊接周期中，在高频下持续地转换第二极性下的所述开关装置，使具有与所述第二电流值几乎相等的原边或副边电流流动。
13.一种用以控制接触焊的设备，包括整流电路，用以将具有市电频率的交流电变换为直流电；双向开关装置，用以将来自整流电路的直流电变换为具有高频的脉冲；焊接变压器，其原边线圈用以接收所述开关装置的输出，其副边线圈用以在高频下输出脉冲电压；一对焊接电极，跨接在所述焊接变压器的副边线圈上，用于在间隔位置上保持与工件压力接触；开关控制装置，用以限定接触焊操作的焊接时间为许多焊接周期，用以在所述多个焊接周期中的奇数焊接周期中，在预定高频下持续地转换第一极性下的所述开关装置，并且用以在所述多个焊接周期中的偶数焊接周期中，在预定高频下持续地转换第二极性下的所述开关装置；电流检测装置，用以检测所述焊接变压器的原边或副边电流，由此提供检测电流信号；电流监视装置，用以基于在每个焊接周期刚过后来自所述电流检测装置的所述检测电流信号监视所述电流，由此在所述电流达到预定监视值时检测时间；和焊接周期起始装置，用以根据由所述电流监视装置所检测的所述时间起始下一焊接周期。
14.如权利要求13的设备，其中所述开关控制装置包括电流测量装置，用以通过来自所述电流检测装置的所述检测电流信号来测量一电流值，测量电流值表示每个开关周期的所述电流的有效或平均值；和脉宽控制装置，用以将所述电流测量装置的所述测量电流值与期望电流值进行比较，由此提供其间的误差，并且用以通过所述误差确定用于下一开关周期的所述开关装置输出脉冲的脉宽。
15.一种用以控制接触焊机的设备，其中将市电频率的交流电通过整流电路变换为直流电，将所述整流电路的直流电变换为高频脉冲，将所述脉冲提供给焊接变压器的原边线圈，并将焊接电流通过在所述焊接变压器副边电路中用以接触焊的电极提供给工件，所述设备包括双向开关装置，用以将来自所述整流电路的所述直流电变换为具有高频的脉冲，将所述脉冲提供给所述焊接变压器的原边线圈；开关控制装置，用以限定接触焊操作的焊接时间为许多焊接周期，用以在所述多个焊接周期中的奇数焊接周期中，在预定高频下持续地转换第一极性下的所述开关装置，并且用以在所述多个焊接周期中的偶数焊接周期中，在预定高频下持续地转换第二极性下的所述开关装置；电流检测装置，用以检测所述焊接变压器的原边或副边电流，由此提供检测电流信号；电流监视装置，用以基于在每个焊接周期刚过后来自所述电流检测装置的所述检测电流信号监视所述电流，由此在所述电流达到预定监视值时检测时间；和焊接周期起始装置，用以根据由所述电流监视装置所检测的所述时间起始下一焊接周期。
16.一种用于控制接触焊的设备，其中将市电频率的交流电压通过一对晶闸管形式的接触器提供给焊接变压器的原边线圈，并且将焊接变压器副边线圈中所产生的电压施加给以间隔位置与工件压力接触的第一和第二焊接电极，使得焊接电流流过工件以进行接触焊，所述设备包括晶闸管控制装置，用以在对应于所述交流电压第一半周的第一焊接周期中以第一预定起通角接通所述晶闸管对中的一个，并且在对应于所述交流电压第二半周的第二焊接周期中以第二起通角接通所述晶闸管对中的另一个，所述第二起通角比所述第一起通角小预定时间。
全文摘要
一种用以控制接触焊的设备,可将用于单边多极焊接的焊接时间限定为多个(如,两个)焊接周期。控制器在第一焊接周期过程中持续地转换第一极性下的双向开关,使得焊接电流通过流过一系列工件的焊接点并以一个方向流过不同金属的工件,而在第二焊接周期中,控制器在相反极性下持续地转换双向开关,使得焊接电流以另一方向流过工件,以便补偿焊接点上的珀尔贴效应,从而减小轮换焊接周期时损耗的焊接能量,以使焊接质量更好。
文档编号B23K11/26GK1180599SQ9712056
公开日1998年5月6日 申请日期1997年9月11日 优先权日1996年9月11日
发明者向井, 藤泽正明 申请人:宫地技术株式会社