CN104028885B - 用于直流电阻点焊的可编程极性模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于直流电阻点焊的可编程极性模块。所公开的可编程极性模块允许依需求快速控制分配给保持在焊枪上的焊接电极的极性。可编程极性模块能电连接到焊枪和直流电源单元以提高直流电流给焊接电极，用于点焊期间的交换。可编程极性模块的第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片允许焊接电极的极性被切换，而不必从焊枪断开模块的电连接。

Description

用于直流电阻点焊的可编程极性模块

本申请要求于2013年3月7提交的美国临时专利申请No. 61/774,227的益处，其全部内容通过引用结合到本文。

技术领域

本公开的技术领域总的涉及可编程极性模块，其能够连接到直流（“DC”）电源用于电阻点焊枪。该可编程极性模块允许焊枪电极的极性根据需要被控制，以便最佳地适应当时实行的电阻点焊工艺。

背景技术

电阻点焊是很多行业使用的以将两个或更多金属工件结合在一起的工艺。例如，汽车行业，在车辆门、引擎盖、后备箱盖、或升降门等的制造期间经常使用电阻点焊将预制的片金属工件结合在一起。许多焊点典型地沿着金属工件的外围边缘或一些其他结合区域形成以确保该部件在结构上合理。今天在汽车行业用的最普通的金属工件是那些由钢和铝合金制成的工件。将铝合金结合到车辆中的期望已经使得将铝合金工件点焊到另一铝合金工件或替代地点焊到钢工件是值得羡慕的。

电阻点焊工艺由包括两个臂的自动机器人或台座式焊枪来执行。这些臂的每一个握持典型地由合适铜合金组成的焊接电极。焊枪臂能够定位在工件叠堆的相反侧上，并且在直接的（diametrically）共同焊点处被夹持以压这两个电极抵着他们各自的金属工件。瞬间电流然后从一个电极穿过金属工件到另一个电极。通过金属工件和他们的交界面（即，金属工件的接触界面）的电流流动的电阻在交界面处产生热量。这热量形成熔融焊池，该熔融焊池由于电流流动停止而固化成焊点熔核。在点焊点形成后，焊接臂释放他们的夹持力，并且该点焊工艺在另一焊点位置重复。

在相对电极之间传递并通过金属工件的电流从由焊枪携带的直流电源接收。直流电源例如可以是中间频率集成变压器和整流器包，其构造成根据规定的焊点计划传递高直流电流强度（amperage）。这种类型直流电源，以及其他类似类型，提供相对电极，相对电极在电连接到焊枪时具有固定相反极性，即，在直流电源已经安装后，一个电极总是正电极，而另一个总是负电极。

分配给焊接电极的极性并不是无足轻重的。例如，已经发现当点焊（1）铝合金工件到另一铝合金工件上，以及（2）铝合金工件到钢工件上时极性偏压存在。较不明显的极性偏压也存在点焊钢工件到另一钢工件上时，以及存在于某些凸焊实践中。控制哪个电极具有正/负极性同时焊枪和直流电源保持电连接的能力——包括在任何时间切换电极极性的能力——将允许操作上更有效的点焊实践在至少这些情况下以及可能其他情况下被开发。这样的电极极性控制用常规直流电源不能实现。事实上，当常规直流电源被采用时，改变电极的极性的唯一方法是从焊枪物理断开电源的连接，并且然后在反向极性取向中再连接电源，这是耗时并且费力的过程。

发明内容

所公开的可编程极性模块允许依需求快速控制分配给保持在焊枪上的焊接电极的极性。可编程极性模块以任何已知的方式能电连接到直流电源的固定极性输出接线片以提供多部件直流电源单元。通过第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，它还能电连接到焊枪，并且因此电连接到焊接电极。第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片能够将正极或负极分配给他们的关联焊接电极。

第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的每一个与一对高电流强度的可控硅整流器（SCR）关联。在每对可控硅整流器内，一个可控硅整流器与正极关联，并且另一个可控硅整流器与负极关联。这些对的可控硅整流器因此能够被控制以给每个可互换极性输出接线片——和与每个接线片关联的焊接电极——分配正极或负极。这种类型的控制允许两个焊接电极的极性分配以任何可想到的方式支配，使得各种点焊工艺的特点能够得到适应。每个焊接电极的极性甚至能够被迅速地切换，而不必从焊枪断开直流电源的连接。

如本文所使用的，术语“高电流强度可控硅整流器” 及其缩写，“SCR”，意指广泛涵盖单个晶闸管或一个或多个协作作用的晶闸管的装置。晶闸管是电开关装置，包括交替的p-型和n-型半导体层，其能够被控制以基于施加到控制终端（也已知作为门）的电压的幅值（magnitude）（或缺失）允许或堵住电流流。应用在每个SCR中的晶闸管的数目取决于需要被管理通过第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的电流的幅值。如，在与第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片关联的SCR对中的每个SCR可以是单个晶闸管，或者，如果单个晶闸管的电流容量对于任何原因是不足够的，那么并联连接的一些晶闸管的装置能够一起适应需要被控制的电流的幅值。

可编程极性模块能够被用来治愈存在于电阻点焊工艺内的电极极性偏压的影响。例如，当用一对铜合金电极来点焊铝合金工件到另一个铝合金工件上时，由于电子流跨过铝合金-铜合金接合点的缘故，在焊接电极之间交换的电流可以在电极/工件界面处产生热量差。具体地，在正焊接电极处可以比在负焊接电极处产生更多热量，这导致正焊接电极以更快的速率磨损。可编程极性模块可以用在这里以偶尔切换两个电极的极性，优选地在每个点焊点之后，以阻止一个电极比另一个电极磨损更快。

作为另一个示例，当用一对铜合金电极来点焊不类似的金属工件时，电极极性偏压可能存在。不类似的金属工件可以是一对具有相当不同厚度的铝合金片金属层，或者铝合金片金属层与铝合金铸件，或者铝合金工件和钢工件，等等。这样的不类似的金属工件的点焊，就像之前的一样，可以在电极/工件界面处产生热量失衡，其中，在正焊接电极处产生较多的热量，而在负焊接电极处产生较少的热量。通过使用这种热量差来补偿不类似金属工件的导电性和/或熔融点的差别，通常能够取得更好质量的点焊点。可编程极性模块能够用在这里以确保焊接电极被分配极性，导致最佳焊点质量。

一种可编程极性模块，所述可编程极性模块能电连接到直流电源和焊枪，所述焊枪携带第一焊接电极和第二焊接电极，所述可编程极性模块包括：

固定正极输入接线片和固定负极输入接线片，所述固定正极输入接线片和固定负极输入接线片能够分别电连接到直流电源的固定正极输出接线片和固定负极输出接线片；

第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片能够电连接到携带第一焊接电极和第二焊接电极的焊枪；

第一对可控硅整流器（SCR）,其与所述第一可互换极性输出接线片关联，所述第一对可控硅整流器包括正向正可控硅整流器和反向负可控硅整流器，所述正向正可控硅整流器也与所述固定正极输入接线片关联，所述反向负可控硅整流器也与所述固定负极输入接线片关联；

第二对可控硅整流器,其与所述第二可互换极性输出接线片关联，所述第二对可控硅整流器包括正向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器也与所述固定负极输入接线片关联，所述反向正可控硅整流器也与所述固定正极输入接线片关联；以及

控制器，所述控制器控制所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器以将正极或负极分配给第一可互换极性输出接线片，以及将正极或负极分配给第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的极性彼此相反。

根据方案1所述的可编程极性模块，其中，所述控制器通过在正向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将正极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将负极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述正向极性模式中，所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是门控的，以及所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是非门控的。

根据权利要求1或8所述的可编程极性模块，其中，所述控制器通过在反向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将负极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将正极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述反向极性模式中，所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是门控的，以及所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是非门控的。

根据方案1所述的可编程极性模块，其中，所述正向正可控硅整流器，所述反向负可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器和所述反向正可控硅整流器的每一个包括门，所述门阻止电流流过其对应的可控硅整流器，除非满足或超过门电压的电压被施加到所述门上。

根据方案1所述的可编程极性模块，其中，所述固定正极输入接线片、所述固定负极输入接线片、所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的每一个由铜合金形成。

一种用于焊枪的直流电源单元，所述焊枪构造成实行电阻点焊，所述电源单元包括：

直流电源；

电连接到所述直流电源的可编程极性模块，所述可编程极性模块包括第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片能够分别电连接到焊枪的第一焊接电极和第二焊接电极，当直流焊接电流通过所述直流电源正被供应到所述模块时，所述第一可互换极性输出接线片被分配极性，正或负，并且所述第二可互换极性输出接线片被分配与所述第一可互换极性输出接线片的极性相反的极性，以及其中，在所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片没有与直流电源断开电连接时，所述可编程极性模块能操作以切换所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的极性。

根据方案6所述的直流电源单元，其中，所述直流电源包括固定正极输出接线片和固定负极输出接线片，以及所述可编程极性模块包括固定正极输入接线片和固定负极输入接线片，所述固定正极输入接线片电连接到所述直流电源的固定正极输出接线片，所述固定负极输入接线片电连接到所述直流电源的固定负极输出接线片。

根据方案7所述的直流电源单元，其中，所述可编程极性模块进一步包括：

第一对可控硅整流器（SCR）,其与所述第一可互换极性输出接线片关联，所述第一对可控硅整流器包括正向正可控硅整流器和反向负可控硅整流器，所述正向正可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定正极输入接线片关联，所述反向负可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定负极输入接线片关联; 以及

第二对可控硅整流器,其与所述第二可互换极性输出接线片关联，所述第二对可控硅整流器包括正向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定负极输入接线片关联，所述反向正可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定正极输入接线片关联; 以及

控制器，所述控制器控制所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器以将正极或负极分配给所述第一可互换极性输出接线片，以及将正极或负极分配给所述第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的极性彼此相反。

根据方案8所述的直流电源单元，其中，所述控制器通过在正向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将正极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将负极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述正向极性模式中，所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是门控的，以及所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是非门控的。

根据方案8所述的直流电源单元，其中，所述控制器通过在反向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将负极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将正极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述反向极性模式中，所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是门控的，以及所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是非门控的。

根据方案8所述的直流电源单元，其中，所述正向正可控硅整流器，所述反向负可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器和所述反向正可控硅整流器的每一个包括门，所述门阻止电流流过其对应的可控硅整流器，除非满足或超过门电压的电压被施加到所述门上。

根据方案7所述的直流电源单元，其中，所述直流电源包括集成变压器和整流器。

根据方案12所述的直流电源单元，其中，所述变压器接收输入交流电流并且从这输入交流电流产生副交流电流，所述副交流电流比所述输入交流电流具有更低的电压和更高的电流强度，以及所述整流器包括半导体二极管的集合，所述半导体二极管将从所述变压器接收的所述副交流电流转换成直流焊接电流，用于传递到所述可编程极性模块，所述焊接电流通过包括在所述整流器上的所述固定正极输出接线片和固定负极输出接线片以及所述模块的固定正极输入接线片和固定负极输入接线片的方式传递到所述可编程极性模块。

根据方案6所述的直流电源单元，其中，所述可编程极性模块将范围从大约5kA到大约65kA的直流焊接电流传递到所述焊枪，由于在第一和第二焊接电极之间通过。

根据方案6所述的直流电源单元，其中，述直流电源的固定正极输出接线片和固定负极输出接线片、所述可编程极性模块的固定正极输入接线片和固定负极输入接线片、以及所述可编程极性模块的所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的每一个都包含铜合金。

一种实行电阻点焊的方法，所述方法包括：

提供直流电源单元，所述直流电源单元电连接到焊枪并且构造成传递直流焊接电流到焊枪，用于在由所述焊枪携带的第一焊接电极和第二焊接电极之间通过，所述直流电源单元包括可编程极性模块，所述可编程极性模块包括第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片与所述第一焊接电极电连通，所述第二可互换极性输出接线片与所述第二焊接电极电连通；

将金属工件叠堆定位在所述第一焊接电极和第二焊接电极之间，所述金属工件叠堆包括第一金属工件和交叠的第二金属工件，其中，所述第一金属工件或第二金属工件中的至少一个包括铝合金;

用所述第一焊接电极接触所述第一金属工件的表面，并且用所述第二焊接电极接触所述第二金属工件的表面;

控制所述可编程极性模块的所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片以将极性，正的或负的，分配给所述第一焊接电极，并将极性，正的或负的但与所述第一焊接电极的极性相反，分配给第二焊接电极;以及

通过从所述可编程极性模块传递直流焊接电流到所述焊枪并在所述第一和第二焊接电极之间并且通过所述第一和第二金属工件传输直流焊接电流而在所述第一金属工件和第二金属工件的交界面处形成焊点熔核。

根据方案16所述的方法，其中，所述第一金属工件是铝合金片金属层，以及所述第二金属工件是铝合金片金属层，并且所述方法包括：

将所述第一焊接电极的极性分配为正，并将所述第二焊接电极的极性分配为负；

在第一和第二铝合金片金属层的交界面处形成第一焊点熔核;

切换所述第一和第二焊接电极的极性，使得所述第一焊接电极的极性被分配为负，并且所述第二焊接电极的极性被分配为正; 以及

在所述第一和第二铝合金片金属层的交界面处形成第二焊点熔核。

根据方案16所述的方法，其中，所述第一金属工件是铝合金片金属层，以及所述第二金属工件是可点焊材料，所述可点焊材料的电阻大于所述铝合金片金属层的电阻，并且所述方法包括：

将接触所述铝合金片金属层的所述第一焊接电极的极性被分配为正，并且将接触所述第二金属工件的所述第二焊接电极的极性被分配为负。

根据方案18所述的方法，其中，所述第二金属工件是钢片金属层或铝合金铸件。

根据方案18所述的方法，其中，控制所述可编程极性模块的所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片包括：

在正向极性模式或反向极性模式中操作与所述第一可互换极性输出接线片关联的第一对可控硅整流器（SCR）以及与所述第二可互换极性输出接线片关联的第二对可控硅整流器（SCR），所述正向极性模式将正极分配给所述第一焊接电极，并且将负极分配给所述第二焊接电极，以及所述反向极性模式将负极分配给所述第一焊接电极，并且将正极分配给所述第二焊接电极。

附图说明

图1是用在电阻点焊应用中的焊枪的总的图示；

图1A是图1的以1A标出的被画圈部分的放大视图；

图2是能够被用来执行电阻点焊的焊接电极的总的图示；

图3是直流电源单元的总的图示，直流电源单元包括直流电源和可编程极性模块，其可以由图1中示出的焊枪携带；

图4是图3中所示的可编程极性模块的示意图；

图5是电极图片，该电极在铝合金片金属层到另一铝合金片金属层的重复点焊期间已经设有负极；

图6是电极图片，该电极在铝合金片金属层到另一铝合金片金属层的重复点焊期间已经设有正极；

图7是形成在铝合金片金属层和钢片金属层之间的电阻点焊点的截面显微照片，其中，接合铝合金片金属层的焊接电极具有负极；

图8是形成在铝合金片金属层和钢片金属层之间的电阻点焊点的截面显微照片，其中，接合铝合金片金属层的焊接电极具有正极；

图9是形成在铝合金片金属层和铝合金铸件之间的电阻点焊点的截面显微照片，其中，接合铝合金铸件的焊接电极具有负极；以及

图10是形成在铝合金片金属层和铝合金铸件之间的电阻点焊点的截面显微照片，其中，接合铝合金铸件的焊接电极具有正极。

具体实施方式

图1-1A大体描绘了焊枪10，其能够用于在一个或多个预定点焊点位置14电阻点焊金属工件叠堆12。工件叠堆12例如包括第一金属工件16和第二金属工件18。这些金属工件16，18彼此交叠以提供焊点位置14处的交界面20，在焊点位置14处点焊工艺形成焊点熔核22，其将金属工件16，18冶金地（metallurgically）结合在一起。术语交界面20，如在本文所使用的，包含工件16，18之间直接交叠接触的情况，以及工件16，18可能不接触但是仍是彼此很接近的交叠（例如存在薄层粘合剂，密封物或一些其他中间材料）的情况。在焊点位置14，第一和第二金属工件14,16的每一个可以具有厚度160,180，范围从大约0.3mm到大约6.0mm，并且优选地范围从大约0.6mm到大约3.0mm。

第一或第二金属工件16,18中的至少一个由铝合金组成。铝合金可以是铝镁合金，铝硅合金，铝镁硅合金，或者铝锌合金。这个种类的一些具体铝合金是5754 铝镁合金，6022铝镁硅合金，和7003铝锌合金。第一或第二金属工件16,18中的另一个可以由铝合金组成，就像刚提到的那些，或者它可以由钢组成。钢可以是低碳钢，镀锌低碳钢，或镀锌改进高强度钢（AHSS）。这个种类的一些具体钢包括无间隙原子（IF）钢,双相（DP）钢，相变诱导塑性(TRIP)钢，以及压力硬化钢（PHS）。术语“金属工件”及其铝合金和钢变体广泛地使用在当前公开中，以包括片金属层，铸件，挤压件，以及能够电阻点焊的其他铝合金或钢零件。

应该注意到的是在图1A中示出的焊点熔核22是一般的图示，其意味着代表很多种类焊点熔核构成——以及焊点熔核位置——能够形成在第一和第二金属工件16,18的交界面20处。例如，如果第一和第二金属工件16,18是铝合金片金属层，那么形成在这两个层的交界面处的焊点熔核在一定程度上将渗透到每一层。焊点熔核进入每个铝合金片金属层的典型渗透深度是该层厚度的大约10%到大约80%。作为另一个示例，如果第一金属工件16是钢片金属层，并且第二金属工件18是铝合金片金属层，那边在这两个层的交界面处形成的焊点熔核将主要渗透到铝合金片金属层，主要是因为铝合金在明显比钢低的温度下熔融。在图1A中描绘的焊点熔核22因此意图代表比一般示出的焊点熔核更加包罗广泛的焊点熔核种类和焊点熔核位置，包括此处描述的具体示例，以及可以形成在能够被应用的不同工件材料组合之间的任何其他示例。

焊枪10包括第一枪臂24和第二枪臂26。第一枪臂24包括保持第一焊接电极30的柄28。类似地，第二枪臂26包括保持第二焊接电极34的柄32。第一和第二枪臂24，26可以是固定的（台座式焊机）或者机器人可移动的，如本领域通常的那样，并且在点焊期间被操作压第一和第二焊接电极30,34抵着第一和第二金属工件16,18的相对面对的表面36,38，第一和第二金属工件16,18在焊点位置14处彼此直径对准（diametric alignment）。由枪臂24，26估计的夹持力在焊接电极30,34与他们相应接合的金属工件表面36,38之间建立良好的机械和电接触。

第一和第二焊接电极30,34优选是水冷却的铜合金焊接电极，包括主体40和处于主体40的端部处的焊点面42，如在图2中示出的 。焊点面42是接触正被电极30,34接合的金属工件16,18的表面36,38的电极的部分。并且它可以结合适合点焊铝合金工件或钢工件的宽设计种类的任何一种。果焊接电极30,34意图接合例如铝合金工件，那么焊点面42优选是半球形的，如图2所示，并且可以进一步是光滑的，有纹理的，或者包括表面特征，例如凸起的轮状皱摺。这些类型铜合金焊接电极的一些示例在美国专利No. 6,861,609, 8,222,560, 8,274,010, 和 8,436,269，以及美国专利申请公开No. 2009/0255908中被描述。如果焊接电极30,34意图接合钢工件，那么焊点面42优选地是扁平的或半球形的，这在本领域中长期是已知的。可以用于焊接铝合金和钢工件两者的电极焊点面设计在美国专利No. 8,525,066中被描述。

直流电源单元44，在图3中最好的示出，由焊枪10携带。直流电源单元44供应直流电流用于在焊接电极30, 34被压抵着他们的相应金属工件16，18的相对面对的表面36,38时在焊接电极30, 34之间通过。根据限定的焊点计划，这被供应的直流电流足够在交界面20处发起焊点熔池。因此，直流电源单元44允许第一和第二焊接电极30, 34的极性分配被控制。并且它能够执行这些功能，同时保持安装在焊枪10上。如图所示，直流电源单元44包括直流电源46和可编程极性模块48。

直流（DC）电源46构造成例如从焊点控制（未示出）接收输入单相中间频率（~1000 Hz）交流电流（AC）,并且将这输入交流电流转换成更高电流强度的焊接直流电流, 通常在大约5kA与大约65kA之间，其被供应到焊枪10。.直流电源44可以是适合导电电阻点焊的任何已知类型。例如，如在图3中所示的，直流电源44可以是水冷却的，中间频率的直流电源，其包括作为集成包的变压器50和整流器52.。这种类型的直流电源从许多供应商（包括ARO Welding Technologies（美国总部在Chesterfield Township, MI）和Bosch Rexroth (美国总部在Charlotte, NC) ）那是商业可得的。其他类型的直流电源当然可以使用，包括构造成接受单相60 Hz交流电流的那些电源。

变压器50在输入端口54处接受输入交流电流。输入交流电流通过主绕组供给并且逐渐降低以在副绕组中产生更低电压，更高电流强度的副交流电流。这副交流电流然后输送到整流器52，在 这里，半导体二极管的集合将副交流电流转换成焊接直流电流。整流器52包括固定正极输出接线片56和固定负极输出接线片58，它们由铜，铜合金，或一些其他更高导电性材料组成。这些输出接线片56, 58从整流器52传递焊接直流电流。本领域技术人员将知道和理解变压器50和整流器52的功能和操作，以及因此，这两个部件及其集成到单个包中的更综合的描述在这里不需要提供。

可编程极性模块48能电连接到直流电源46的整流器52。在这里，如图1和图3所示，可编程极性模块48包括一对固定极性输入接线片60。这些输入接线片60的每一个由铜，铜合金，或一些其他更高导电性材料组成。输入接线片60中的一个能电连接到整流器52的正极输出接线片56，并且另一个能电连接到整流器52的负极输出接线片58。当被电连接时，其是图1中的情况，输入接线片60取得它们所关联的任何输出接线片56,58的极性——即，连接到固定正极输出接线片56的输入接线片60承担正极（被分配正接线片602），并且连接到固定负极输出接线片58的输入接线片60承担负极（被分配负接线片604）。连接特征的螺栓连接或任何其他合适类型可以用于将可编程极性模块48和直流电源46固定在一起。

可编程极性模块48还能电连接到焊枪10，使得焊接直流电流能够传递到焊接电极30, 34。可编程极性模块48可以包括第一可互换极性输出接线片62和第二可互换极性输出接线片64以方便这样的连接。第一可互换极性输出接线片62能电连接到第一汇流条66，并且第二可互换极性输出接线片64能电连接到第二汇流条68。第一和第二汇流条66,68 由铜，铜合金，或一些其他更高导电性材料组成，并且构造成与第一和第二枪臂24,26电连通，并且最终分别与第一和第二焊接电极30,34电连通。像之前一样，连接特征的螺栓连接或任何其他合适类型可以用于将可编程极性模块48和焊枪10固定在一起。

第一和第二可互换极性输出接线片62，64的极性没有固定，相反，它们可以在任何时间根据任何可想到的焊接计划在正或负之间切换。切换第一和第二可互换极性输出接线片62，64的极性的能力最终允许第一和第二焊接电极30,34的极性以相应的方式被切换。这是因为第一和第二可互换极性输出接线片62，64的分配极性建立了第一和第二焊接电极30,34的匹配极性。例如，如果第一可互换极性输出接线片62被分配正，并且因此，第二可互换极性输出接线片64被分配负，然后，第一和第二焊接电极30,34将被分别分配正和负，直到接线片62，64的极性被切换。并且当输出接线片62，64的极性被切换时，焊接电极30,34的极性也将以相同的方式切换。

在图4中示意性地示出可以结合到可编程极性模块48中以切换第一和第二可互换极性输出接线片62，64的极性的电路设计。如图所示，第一对70可控硅整流器与第一可互换极性输出接线片62关联，以及第二对72可控硅整流器与第二可互换极性输出接线片64关联。第一对70可控硅整流器包括正向正极可控硅整流器74和反向负极可控硅整流器76。类似地，第二对72可控硅整流器包括正向负极可控硅整流器78和反向正极可控硅整流器80。正向正极可控硅整流器74和反向正极可控硅整流器80与固定极性输入接线片60之一关联，以及反向负极可控硅整流器76和正向负极可控硅整流器78与另一个输入接线片60关联。应当强调的是，即使图4显示几个可控硅整流器74,76,78,80作为晶闸管，但是正向正极可控硅整流器74、反向负极可控硅整流器76、正向负极可控硅整流器78和反向正极可控硅整流器80的每一个也可以是并联连接的一个或多个晶闸管的装置，使得它们协调作用以与单个晶闸管一样的累积功能，但是具有更大电流容量的附加可能性。

可控硅整流器74,76,78,80的每一个包括门740, 760, 780, 800。这些门740, 760, 780, 800能够被控制以将它们对应的可控硅整流器74,76,78,80转到“开”（门控）（gated）——其意味电流能流过可控硅整流器——或“关”（非门控）(ungated)——其意味电流不能流过可控硅整流器。可控硅整流器74,76,78,80是转到“开”还是“关”取决于施加到它们的门740, 760, 780, 800的电压是否满足或超过门电压，其典型地在大约1V-10V之间。 为了将可控硅整流器74,76,78,80的任一个转到“开”，并且因此允许电流流动，施加到相关门740, 760, 780, 800的电压等于或大于所要求的门电压。 为了将可控硅整流器74,76,78,80的任一个转到“关”，并且因此堵塞电流流动，没有电压（即，0V）或小于门电压的电压施加到相关门740, 760, 780, 800。 控制器82可以结合到电路设计中以在任何给定时间控制哪些可控硅整流器转到“开”或“关”，并且它可以通过本领域技术人员已知的常规电路与门740, 760, 780, 800对接。

用于将可控硅整流器74,76,78,80转到“开”和“关”的两种模式在这里可适用：正向极性模式和反向极性模式。在正向极性模式中，正向正极可控硅整流器74和正向负极可控硅整流器78是转到“开”而反向负极可控硅整流器76和反向正极可控硅整流器80转到“关”。这个模式使正输入接线片602与第一可互换极性输出接线片62相配，并且使负输入接线片604与第二可互换极性输出接线片64相配。在图4所示的电路的环境下，这样的协调将正极分配给第一可互换极性输出接线片62，并且将负极分配给第二可互换极性输出接线片64。

反向极性模式在可互换极性输出接线片62，64处实现相反的效果。 具体地，在反向极性模式中，反向负极可控硅整流器76和反向正极可控硅整流器80转到“开”，而正向正极可控硅整流器74和正向负极可控硅整流器78转到“关”。 这个模式使正输入接线片602与第二可互换极性输出接线片64相配，并且使负输入接线片604与第一可互换极性输出接线片62相配。 在图4所示的电路的环境下，这样的协调将正极分配给第二可互换极性输出接线片64，并且将负极分配给第一可互换极性输出接线片62。下面的表1概括了刚描述的正向极性模式和反向极性模式。

表1

现将参考图1，3和4，描述实施可编程极性模块48的电阻点焊工艺。开始时，金属工件叠堆12定位在第一和第二焊接电级30，34之间，使得焊点位置14与电极30，34大致对准，与焊点面42相对。金属工件叠堆12可以被带到这样的位置，其经常是枪臂24，26是固定台座式焊机的部分的情况，或者枪臂24，26可以由机器人移动以相对叠堆12的焊点位置14定位电极30，34。 一旦叠堆12被适当地定位，第一和第二焊接臂24，26会聚以在焊点位置14处压第一和第二焊接电级30，34的焊点面42抵着第一和第二金属工件的相对面对的表面36，38。

由直流电源单元44供应的焊接直流电流然后在第一和第二焊接电级30，34之间传送并通过第一和第二金属工件16，18，以及跨过交界面20。 通过金属工件16，18并跨过交界面20的焊接直流电流的集中流的电阻在焊点位置14处的交界面20处产生热量。这热量在交界面20处发动熔融焊池，其渗透进入工件16，18之一或二者，这取决于工件16，18的成分和本性。通过停止焊接直流电流，熔融焊池固化成焊点熔核22。 第一和第二焊接电级30，34然后从它们所接合的金属工件16，18的表面36，38缩回。接下来，工件叠堆12被重定位在第一和第二焊接电级30，34之间处于一个不同的焊点位置14，或者它被移离使得另一个叠堆12能够被定位用于点焊。更多的点焊点然后以相同的方式形成。

可编程极性模块48能够根据需要指派第一和第二焊接电极30,34的极性，以最佳适合正被执行的特殊点焊工艺。可编程极性模块48能够将正极分配给第一焊接电极30，并且将负极分配给第二焊接电极34，或反之亦然，并且进一步能够在任何时间切换第一和第二焊接电极30,34的极性。 这样的灵活性通过控制可控硅整流器74,76,78,80的哪些转到“开”以及哪些转到“关”成为可能。回想例如在正向极性模式中，第一可互换极性输出接线片62 以及因此第一焊接电极30，被分配正极，而第二可互换极性输出接线片64 以及因此第二焊接电极34被分配负极。在反向极性模式中相反的是真实的，其中，第一可互换极性输出接线片62 以及因此第一焊接电极30被分配负极，而第二可互换极性输出接线片64 以及因此第二焊接电极34被分配正极。

可编程极性模块48在用一对铜合金焊接电极将铝合金工件点焊到另一铝合金工件上时可以很有用。铝合金工件例如可以是一对铝合金片金属层，其中一层在焊点位置14是大约3.0mm厚或更小。 作为另一个示例，它们也可以是一对铝合金铸件，其中之一在焊点位置14是大约3.0mm厚或更小。已经发现用常规点焊计划（set up）在这样的铝合金工件之间重复地形成点焊点——其中，一个焊接电极具有固定正极并且另一个焊接电极具有固定负极——导致正焊接电极比负焊接电极以更快的速率磨损。在一些情况下，在形成30-100个点焊点的过程上，正焊接电极可能磨损速度是负焊接电极的大约两倍。

在两个焊接电极30，34处经历的磨损是在焊点面42上的硬金属反应产物的累积，其源自在金属工件的铝合金与焊接电极的铜合金之间的治金反应。这 硬金属反应产物的累积可能最终碎裂并在焊点面42中形成凹点。为了在视觉上说明这种磨损机制，图5和6分别示出固定负极铜合金焊接电极和固定正极铜合金焊接电极，这两电极已经被一起使用在一对交叠的2mm厚铝合金片金属层中形成100个点焊点。固定正极铜合金焊接电极（图6）在其焊点面上已经清晰地经历更多铝合金铜合金反应产物累积。由于这个，正焊接电极需要定位矫正以移除硬金属反应产物，或者用新的焊接电极替换，比负焊接电极要频繁得多。

可编程极性模块48通过定期切换第一和第二焊接电极30，34的极性能够减轻上面所描述的极性偏压。每一次一定量的点焊点已经被执行，极性就可以被切换。 优选地，第一和第二焊接电极30，34的极性在每1-5个点焊点之后切换，并且最优选地，在每个点焊点之后。例如，可编程极性模块48可以操作在其正向极性模式中，其中，第一焊接电极30被分配正极，并且第二焊接电极34被分配负极，以及焊接直流电流可以被供应以形成第一点焊点。然后，在焊接直流电流已经停止后，可编程极性模块48切换到其反向极性模式，其中，第一焊接电极30被分配负极，而第二焊接电极34被分配负正极，并且焊接直流电流可以被供应以形成第二点焊点。可编程极性模块48然后可以切换回到其正向极性模式，等等。电极极性的这种来回切换将使两个焊接电极30, 34磨损的速率均匀化，并且作为结果，相对于常规固定电极极性的点焊接技术，增加了用两个电极30，34能够形成的点焊点的量。

当铝合金工件与金属工件的点焊接会在工件内产生使可焊性降级的热量失衡时，可编程极性模块48也可以很有用。 例如，铝合金片金属层和钢片金属层具有不同的物理特性（例如，熔点，热传导性，硬度等）以及当尝试用一对铜合金电极将这两个片金属层点焊在一起时，热量失衡在电流流过它们就会发展。在这个案例中，在较大电阻钢中比在较小电阻铝合金中产生更大量的局部热量。在尝试用一对铜合金电极点焊不同类型铝合金工件（例如铝合金片金属层和铝合金铸件）时热量失衡也会发展。这是因为铝合金铸件典型地比铝合金片金属层具有更高的电阻。

这样工件的点焊接，像之前一样，在电级/工件界面处产生热量失衡，其中，较多的热量产生在正焊接电极处，而较少的热量产生在负焊接电极处。 已经发现在金属工件之间的焊点质量能够通过控制电极极性而被影响，以及延伸一下，在焊接电极30，34处的发展的热量失衡。例如当点焊铝合金片金属层和钢片金属层时，切换焊接电极30，34的极性的能力允许电极热量失衡用来补偿铝合金片金属层的较低电阻和较低熔点。 正焊接电或负焊接电可以接合铝合金片金属层来分别产生更多或更少的热量，以便获得更好的焊点渗透，优先地，进入铝合金片金属层接近50%。当点焊铝合金片金属层到铝合金铸件时，电阻的差能够通常通过用负焊接电极接合更大电阻的铝合金铸件而被抵消，与正焊接电极相比，负焊接电极在电极/工件界面处经历较少热量的产生。

图7-10在视觉上说明电极极性能够对焊点质量具有的影响。图7和图8是1mm厚铝合金片金属层和0.55mm厚钢片金属层（二者都已经历点焊）的截面显微照片。 图7显示了用已经被分配负极的铜合金焊接电极接合铝合金片金属层（底部层）和用已经被分配正极的铜合金焊接电极接合钢片金属层（顶部层）的效果。相反地，图8显示用已经被分配正极的铜合金焊接电极接合铝合金片金属层（顶部层）和用已经被分配负极的铜合金焊接电极接合钢片金属层（底部层）的效果。 如能够看到的，在这个特别示例中，用正极焊接电极接合铝合金片金属层（图8）导致更深的焊点渗透。

图9和图10是 2.5 mm厚铝合金片金属层和3mm厚铝合金铸件（二者都已经历点焊）的截面显微照片。图9显示了用已经被分配负极的铜合金焊接电极接合铝合金铸件（顶部层）和用已经被分配正极的铜合金焊接电极接合铝合金片金属层（底部层）的效果。 相反地，图10显示了用已经被分配正极的铜合金焊接电极接合铝合金铸件（顶部层）和用已经被分配负极的铜合金焊接电极接合铝合金片金属层（底部层）的效果。 在这里，能够看到，在负极焊接电极（其在其工件/电极界面处产生较少的热量）接合更大电阻铝合金铸件（图9）时，产生了更好质量的点焊点，这由形成在铸件（上部层）和焊接电极的界面之下的大三角形空隙（在图10中能看到）的缺少得到证明。

可编程极性模块48通过需要时切换焊接电极30，34的极性能够适应上述极性偏压，以实现或维持良好的焊点质量。 例如，当点焊包括铝合金片金属层和钢片金属层的金属叠堆12时，两个焊接电极30，34的极性分配将取决于叠堆12的特性和焊点计划，这意味铝合金片金属层能够由正焊接电极或负焊接电极来接合，这取决于详情。如果第一和第二焊接电极30，34被希望分别分配正极和负极，然后可编程极性模块48会被操作在其正向极性模式中。 然而，如果相反极性分配是所想要的，然后可编程极性模块48会被操作在其反向极性模式中。关于点焊包括铝合金片金属层和铝合金铸件的金属叠堆12的实践，可编程极性模块48在许多情况下会被操作，在任何模式中，分配正极给接合铝合金片金属层的焊接电极30, 34。

优选示例实施例的上述描述本质上只是说明性的；它们没有意图限制下面权利要求的范围。在所附权利要求中所用术语的每一个应当被给予其最普通并且习惯性含义，除非在说明书中有相反的具体而不含糊的声明。

Claims (16)

1.一种可编程极性模块，所述可编程极性模块能电连接到直流电源和焊枪，所述焊枪携带第一焊接电极和第二焊接电极，所述可编程极性模块包括：

固定正极输入接线片和固定负极输入接线片，所述固定正极输入接线片和固定负极输入接线片能够分别电连接到直流电源的固定正极输出接线片和固定负极输出接线片；

第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片能够电连接到携带第一焊接电极和第二焊接电极的焊枪；

第一对可控硅整流器（SCR）,其与所述第一可互换极性输出接线片关联，所述第一对可控硅整流器包括正向正可控硅整流器和反向负可控硅整流器，所述正向正可控硅整流器也与所述固定正极输入接线片关联，所述反向负可控硅整流器也与所述固定负极输入接线片关联；

第二对可控硅整流器,其与所述第二可互换极性输出接线片关联，所述第二对可控硅整流器包括正向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器也与所述固定负极输入接线片关联，所述反向正可控硅整流器也与所述固定正极输入接线片关联；以及

控制器，所述控制器控制所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器以将正极或负极分配给第一可互换极性输出接线片，以及将正极或负极分配给第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的极性彼此相反。

2.根据权利要求1所述的可编程极性模块，其中，所述控制器通过在正向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将正极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将负极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述正向极性模式中，所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是门控的，以及所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是非门控的。

3.根据权利要求1所述的可编程极性模块，其中，所述控制器通过在反向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将负极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将正极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述反向极性模式中，所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是门控的，以及所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是非门控的。

4.根据权利要求1所述的可编程极性模块，其中，所述正向正可控硅整流器，所述反向负可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器和所述反向正可控硅整流器的每一个包括门，所述门阻止电流流过其对应的可控硅整流器，除非满足或超过门电压的电压被施加到所述门上。

5.根据权利要求1所述的可编程极性模块，其中，所述固定正极输入接线片、所述固定负极输入接线片、所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的每一个由铜合金形成。

6.一种用于焊枪的直流电源单元，所述焊枪构造成实行电阻点焊，所述电源单元包括：

直流电源；

电连接到所述直流电源的可编程极性模块，所述可编程极性模块包括第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片能够分别电连接到焊枪的第一焊接电极和第二焊接电极，当直流焊接电流通过所述直流电源正被供应到所述模块时，所述第一可互换极性输出接线片被分配极性，正或负，并且所述第二可互换极性输出接线片被分配与所述第一可互换极性输出接线片的极性相反的极性，以及其中，在所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片没有与直流电源断开电连接时，所述可编程极性模块能操作以切换所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的极性,

其中，所述直流电源包括固定正极输出接线片和固定负极输出接线片，以及所述可编程极性模块包括固定正极输入接线片和固定负极输入接线片，所述固定正极输入接线片电连接到所述直流电源的固定正极输出接线片，所述固定负极输入接线片电连接到所述直流电源的固定负极输出接线片；以及

其中，所述可编程极性模块进一步包括：

第一对可控硅整流器（SCR）,其与所述第一可互换极性输出接线片关联，所述第一对可控硅整流器包括正向正可控硅整流器和反向负可控硅整流器，所述正向正可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定正极输入接线片关联，所述反向负可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定负极输入接线片关联；以及

第二对可控硅整流器,其与所述第二可互换极性输出接线片关联，所述第二对可控硅整流器包括正向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定负极输入接线片关联，所述反向正可控硅整流器也与所述直流电源的所述固定正极输入接线片关联；以及

控制器，所述控制器控制所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器以将正极或负极分配给所述第一可互换极性输出接线片，以及将正极或负极分配给所述第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的极性彼此相反。

7.根据权利要求6所述的直流电源单元，其中，所述控制器通过在正向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将正极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将负极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述正向极性模式中，所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是门控的，以及所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是非门控的。

8.根据权利要求6所述的直流电源单元，其中，所述控制器通过在反向极性模式中操作所述第一对可控硅整流器和第二对可控硅整流器来将负极分配给所述第一可互换极性输出接线片，并将正极分配给第二可互换极性输出接线片，在所述反向极性模式中，所述反向负可控硅整流器和反向正可控硅整流器是门控的，以及所述正向正可控硅整流器和正向负可控硅整流器是非门控的。

9.根据权利要求6所述的直流电源单元，其中，所述正向正可控硅整流器，所述反向负可控硅整流器，所述正向负可控硅整流器和所述反向正可控硅整流器的每一个包括门，所述门阻止电流流过其对应的可控硅整流器，除非满足或超过门电压的电压被施加到所述门上。

10.根据权利要求6所述的直流电源单元，其中，所述直流电源包括集成变压器和整流器。

11.根据权利要求10所述的直流电源单元，其中，所述变压器接收输入交流电流并且从这输入交流电流产生副交流电流，所述副交流电流比所述输入交流电流具有更低的电压和更高的电流强度，以及所述整流器包括半导体二极管的集合，所述半导体二极管将从所述变压器接收的所述副交流电流转换成直流焊接电流，用于传递到所述可编程极性模块，所述焊接电流通过包括在所述整流器上的所述固定正极输出接线片和固定负极输出接线片以及所述模块的固定正极输入接线片和固定负极输入接线片的方式传递到所述可编程极性模块。

12.根据权利要求6所述的直流电源单元，其中，所述可编程极性模块将范围从5kA到65kA的直流焊接电流传递到所述焊枪，用于在第一和第二焊接电极之间通过。

13.根据权利要求6所述的直流电源单元，其中，所述直流电源的固定正极输出接线片和固定负极输出接线片、所述可编程极性模块的固定正极输入接线片和固定负极输入接线片、以及所述可编程极性模块的所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片的每一个都包含铜合金。

14.一种实行电阻点焊的方法，所述方法包括：

提供直流电源单元，所述直流电源单元电连接到焊枪并且构造成传递直流焊接电流到焊枪，用于在由所述焊枪携带的第一焊接电极和第二焊接电极之间通过，所述直流电源单元包括可编程极性模块，所述可编程极性模块包括第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片，所述第一可互换极性输出接线片与所述第一焊接电极电连通，所述第二可互换极性输出接线片与所述第二焊接电极电连通；

将金属工件叠堆定位在所述第一焊接电极和第二焊接电极之间，所述金属工件叠堆包括第一金属工件和交叠的第二金属工件，其中，所述第一金属工件或第二金属工件中的至少一个包括铝合金；

用所述第一焊接电极接触所述第一金属工件的表面，并且用所述第二焊接电极接触所述第二金属工件的表面；

控制所述可编程极性模块的所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片以将极性，正的或负的，分配给所述第一焊接电极，并将极性，正的或负的但与所述第一焊接电极的极性相反，分配给第二焊接电极；以及

通过从所述可编程极性模块传递直流焊接电流到所述焊枪并在所述第一和第二焊接电极之间并且通过所述第一和第二金属工件传输直流焊接电流而在所述第一金属工件和第二金属工件的交界面处形成焊点熔核，

其中，所述第一金属工件是铝合金片金属层，以及所述第二金属工件是可点焊材料，所述可点焊材料的电阻大于所述铝合金片金属层的电阻，并且所述方法包括：

将接触所述铝合金片金属层的所述第一焊接电极的极性被分配为正，并且将接触所述第二金属工件的所述第二焊接电极的极性被分配为负；以及

其中，控制所述可编程极性模块的所述第一可互换极性输出接线片和第二可互换极性输出接线片包括：

在正向极性模式或反向极性模式中操作与所述第一可互换极性输出接线片关联的第一对可控硅整流器（SCR）以及与所述第二可互换极性输出接线片关联的第二对可控硅整流器（SCR），所述正向极性模式将正极分配给所述第一焊接电极，并且将负极分配给所述第二焊接电极，以及所述反向极性模式将负极分配给所述第一焊接电极，并且将正极分配给所述第二焊接电极。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一金属工件是铝合金片金属层，以及所述第二金属工件是铝合金片金属层，并且所述方法包括：

将所述第一焊接电极的极性分配为正，并将所述第二焊接电极的极性分配为负；

在第一和第二铝合金片金属层的交界面处形成第一焊点熔核；

切换所述第一和第二焊接电极的极性，使得所述第一焊接电极的极性被分配为负，并且所述第二焊接电极的极性被分配为正；以及

在所述第一和第二铝合金片金属层的交界面处形成第二焊点熔核。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第二金属工件是钢片金属层或铝合金铸件。