CN112654454B - 点焊方法 - Google Patents

Abstract

点焊方法是藉由供给焊接电流来将作为工件的三张以上的金属板的层压体接合的方法。焊接电流具有交替实现峰值状态及非峰值状态的脉冲状波形，所述峰值状态达到或者维持在设定的峰值电流范围内，所述非峰值状态从峰值电流范围朝设定的底值电流下降后再朝峰值电流范围上升。在非峰值状态下，当焊接电流的有效值Irms降低，并达到特定的有效值目标范围内时，开始使焊接电流朝峰值电流范围上升的电流控制处理。

Description

点焊方法

技术领域

本发明涉及一种点焊方法。

背景技术

当焊接多张金属板时，进行使用点焊装置的点焊。点焊是在一对电极芯片之间夹持多张金属板的状态下，利用在一对电极芯片之间通电来使多张金属板之间产生熔核以焊接多张金属板。

在专利文献1所示的发明中，在利用一对电极夹持多张金属板的状态下，藉由对多张金属板外加多条直流微脉冲来焊接多张金属板。

在点焊中，当在一对电极芯片之间的通电时间较短时，有时熔核无法成长为焊接所需要的大小，而无法焊接。另一方面，如果延长在一对电极芯片之间的通电时间，熔核过度成长，有时会从形成在多张金属板之间的塑性金属环区(coronabond)(形成在熔核的外侧的未熔融压接部)突出，结果导致熔核暴露，有时会产生飞溅。根据此类情况，需要在点焊中，抑制飞溅的产生并牢固地焊接。

[现有技术文献]

(专利文献)

专利文献1：日本特表2013-501628号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

但是，在制造汽车车体的步骤中，有时需要焊接厚度不同的三张以上的金属板。此时，厚板与厚板间的接触阻抗比薄板与厚板间的接触阻抗大，因此，形成在厚板与厚板间的熔核比形成在薄板与厚板间的熔核成长迅速。因此，如果继续通电至薄板与厚板间的熔核充分地成长，有时厚板与厚板间的熔核会过度成长，而产生飞溅。

本发明的目的在于，提供一种点焊方法，能够抑制飞溅的产生，并牢固地将工件接合。

[解决问题的技术手段]

(1)、本发明的点焊方法，其供给焊接电流来将工件(例如，后述的工件W)接合，其特征在于：前述焊接电流具有交替实现峰值状态及非峰值状态的脉冲状波形，所述峰值状态达到或者维持在设定的峰值电流范围内，所述非峰值状态从前述峰值电流范围朝底值电流下降后再朝前述峰值电流范围上升，在前述非峰值状态下，当达到设定前述焊接电流的有效值(Irms)的目标范围(例如，后述的有效值目标范围)内时，开始使前述焊接电流朝前述峰值电流范围上升的电流控制。

(2)、此时优选为，当在特定时间内未开始前述电流控制时，停止供给前述焊接电流，并且报知发生异常。

(3)、此时优选为，前述工件是将三张以上的金属板(例如，后述的金属板W1,W2,W3)重叠而构成的层压体，前述三张以上的金属板中的至少一张金属板形成为与其他金属板的厚度不同。

(发明的效果)

(1)、本发明的点焊方法藉由供给交替实现峰值状态及非峰值状态的脉冲状波形的焊接电流来将工件接合，所述峰值状态达到或者维持在峰值电流范围内，所述非峰值状态从峰值电流范围朝底值电流下降后再朝峰值电流范围上升。此处，在本发明中，在非峰值状态下，当焊接电流的有效值达到特定的目标范围内时，开始使焊接电流朝峰值电流范围上升的电流控制。换句话说，在本发明中，等待朝下一周期的电流控制的开始，直到焊接电流的有效值达到目标范围内。由此，利用焊接电流能够将形成适当大小的熔核的能量供给至工件，并且在能够抑制飞溅的产生的适当的时机开始电流控制。因此，根据本发明，能够抑制飞溅的产生，并将工件牢固地接合。

(2)、在本发明中，当在特定时间内未开始使焊接电流朝峰值电流范围上升的电流控制时，停止供给焊接电流，并且报知产生异常。由此，当产生某种异常时，能够防止继续焊接来制造低品质的产品。

(3)、在本发明的点焊方法中，以将三张以上的金属板重叠而构成的层压体作为工件，其中至少一张与其他张的厚度不同。但是，由于在峰值状态下，焊接电流达到或者维持在峰值电流范围内，因此，虽然在各金属板之间促进熔核的成长，但是如上所述，在非峰值状态下，在等待朝下一周期的电流控制的开始直到焊接电流的有效值达到目标范围内的期间，散热导致熔核冷却。如上所述，虽然厚板与厚板间的接触阻抗比薄板与厚板间的接触阻抗大，且熔核的成长较快，但是厚板与厚板间的散热也比薄板与厚板间的散热大。因此，在本发明中，以此种金属板的层压体作为工件，并在非峰值状态下，等待电流控制的开始直到焊接电流的有效值达到目标范围内，由此，能够在薄板与厚板间及厚板与厚板间两者中供给适当大小的能量，以便熔核充分成长，并确保用于冷却厚板与厚板间的熔核的时间，以便在厚板与厚板间抑制飞溅的产生。

附图说明

图1是绘示应用本发明的一实施方式的点焊方法的焊接系统的构造的图。

图2是绘示焊接电源电路的电路构造的图。

图3是绘示在焊接电源电路中从逆变器电路输入至变压器的交流电压与对电极芯片对外加的焊接电流的关系的图。

图4是示意性地绘示焊接中的工件的剖面的图。是绘示利用上电极芯片与下电极芯片夹持工件进行加压并对工件外加焊接电流的状态的图。

图5是绘示控制装置中的焊接电流控制的具体步骤的流程图。

图6是绘示利用图5的焊接电流控制实现的焊接电流的波形的图。

图7是绘示电流控制处理的具体步骤的流程图。

图8是绘示有效值控制处理的具体步骤的流程图。

具体实施方式

以下，针对本发明的一实施方式，参照图式加以说明。

图1是绘示应用本实施方式的点焊方法的焊接系统S的构造的图。

焊接系统S具备：点焊装置1，也就是焊接枪；工件W，也就是藉由此点焊装置1接合的金属板的层压体；及，机器人6，用于支撑点焊装置1。

工件W是将多张金属板重叠而构成的层压体。在本实施方式中，针对将三张金属板从上方到下方按顺序重叠而构成的层压体来作为工件W的情况进行了说明，但本发明并不限定于此，三张金属板也就是第一金属板W1、第二金属板W2及第三金属板W3。构成工件W的金属板的张数可以是两张，也可以是四张以上。另外，在下文中，针对第一金属板W1的厚度比第二金属板W2及第三金属板W3的厚度更薄的情况进行了说明，但本发明并不限定于此。只要这些金属板W1至W3中的至少一张金属板与其他金属板的厚度不同即可。

机器人6具备：机器人主体60，安装在地面上；铰接臂61，用于轴支撑此机器人主体60；及，机器人控制装置62，用于控制此机器人6。铰接臂61具备：第一臂部611，其基端侧由机器人主体60轴支撑；第二臂部612，其基端侧由第一臂部611轴支撑；第三臂部613，其基端侧由第二臂部612轴支撑；及，第四臂部614，其基端侧由第三臂部613轴支撑，并且其顶端侧安装点焊装置1。

机器人控制装置62藉由驱动设置于机器人主体60及铰接臂61上的多个马达来驱动各臂部611至614，控制安装在第四臂部614上的点焊装置1的位置及方向，使设置于点焊装置1上的后述电极芯片21,26移动至工件W的接合部。

点焊装置1具备：焊接电源电路3，也就是焊接电流的供给源；枪主体2，搭载后述上电极芯片移动机构4及焊接电源电路3的一部分；上电极芯片21及下电极芯片26，也就是一对电极；上电极芯片支撑部22；上适配器主体23；枪臂25；下电极芯片支撑部27；及，下适配器主体28。

上电极芯片支撑部22是沿着垂直方向延伸的棒状，在其顶端部安装上电极芯片21。上适配器主体23是柱状，将枪主体2与上电极芯片支撑部22连接。上适配器主体23相对于枪主体2沿着与上电极芯片支撑部22的轴线平行的滑动方向滑动自如地设置。

枪臂25从枪主体2朝上电极芯片21的垂直方向下方侧弯曲延伸。下电极芯片支撑部27是与上电极芯片支撑部22同轴的棒状，在其顶端部安装下电极芯片26。下适配器主体28是柱状，将枪臂25的顶端部与下电极芯片支撑部27连接。如图1所示，下电极芯片26以相对于上电极芯片21沿着芯片支撑部22,27的轴线隔开特定的间隔相对向的方式，由下电极芯片支撑部27支撑。

上电极芯片移动机构4具备缸体及其控制装置等，使上适配器主体23与上电极芯片支撑部22及上电极芯片21一起沿着滑动方向进退。由此，可以在使下电极芯片26抵接于工件W的下表面的状态下使上电极芯片21抵接于工件W的上表面，还可以利用这些电极芯片21,26来夹持工件W，以进行加压。

图2是绘示焊接电源电路3的电路构造的图。焊接电源电路3具备：焊接控制电路3a；直流(Direct Current；DC)焊接变压器3b；电源缆线3c；及，电流传感器3d。焊接电源电路3经由电源线L1,L2连接于上电极芯片21及下电极芯片26。另外，如图1所示，在枪主体2上，搭载如上所述地构成的焊接电源电路3中的DC焊接变压器3b及电流传感器3d。另外，焊接电源电路3中的焊接控制电路3a搭载于与枪主体2分开的基台上，经由电源缆线3c而与DC焊接变压器3b连接。由此，能够减轻枪主体2的重量。

焊接控制电路3a具备转换器电路31、逆变器电路32及控制装置33。另外，DC焊接变压器3b具备变压器34及整流电路35。

转换器电路31将从三相电源30输入的三相电进行全波整流而转换成直流电，并将此直流电供给至逆变器电路32。

逆变器电路32将从逆变器电路32输入的直流电转换成单相交流电，并经由电源缆线3C输出至变压器34。更具体地说，逆变器电路32具备桥接的四个开关元件。逆变器电路32藉由根据从搭载于控制装置33的栅极驱动电路发送的栅极驱动信号打开或者关闭这些开关元件，来将直流电转换成单相交流电。

变压器34将从逆变器电路32输入的交流电进行变压并输出至整流电路35。整流电路35将从变压器34输入的交流电进行整流，将直流电输出至分别连接于电源线L1,L2的电极芯片21,26间。此整流电路35使用例如已知的全波整流电路，所述已知的全波整流电路是将两个整流二极管351,352与中心抽头353组合而构成的。

电流传感器3d检测从焊接电源电路3供给至芯片21,26的焊接电流。电流传感器3d设置于例如将整流电路35与上电极芯片21连接的电源线L1上，并将与流经此电源线L1的焊接电流的大小相应的电流检测信号发送至控制装置33。

控制装置33具备：微电脑，使用从电流传感器3d发送的电流检测信号来执行后述的焊接电流控制；及，栅极驱动电路等，根据此微电脑的演算结果生成栅极驱动信号，并发送至逆变器电路32。

图3是绘示在如上所述的焊接电源电路3中从逆变器电路32输入至变压器34的交流电压Vt与外加至电极芯片21,26的焊接电流Iw的关系。

驱动逆变器电路32后，如图3所示，从逆变器电路32输出矩形波状的交流电压Vt。从逆变器电路32输出的交流电压在变压器34中进行变压，进一步在整流电路35中进行整流，直流的焊接电流Iw经由电极芯片21,26外加至工件W。

此处，如图3所示，相对于特定的载波周期T，交流电压Vt在Hi或者Lo期间的脉冲宽度PW比也就是占空比越大，焊接电流Iw越大。如下文参照图5及图6所说明，控制装置33，按照PI控制等已知的反馈控制规则来决定脉冲宽度PW，以使由电流传感器3d检测的焊接电源电路3的输出电流成为由未图示的处理设定的目标电流，并且在由此脉冲宽度PW设定的占空比下利用PWM控制打开或关闭驱动逆变器电路32中的多个开关元件。

接着，针对利用如上所述的焊接系统S接合工件W的点焊方法的顺序进行说明。

首先，如图1所示，机器人控制装置62藉由驱动机器人主体60及铰接臂61来控制点焊装置1的位置及姿势，以便在上电极芯片21与下电极芯片26之间配置工件W。此时，机器人控制装置62控制点焊装置1的位置及姿势，以使下电极芯片26抵接于工件W的第三金属板W3的下表面。

接着，如图4所示，使用上电极芯片移动机构4，使上适配器主体23滑动，而使上电极芯片21接近下电极芯片26。在上电极芯片21接近下电极芯片26，并且与第一金属板W1的上表面抵接后，利用上电极芯片21与下电极芯片26夹持工件W，并对其加压。

接着，焊接电源电路3的控制装置33维持利用电极芯片21,26从两面对工件W进行加压的状态，利用参照图5说明的顺序来执行焊接电流控制，并在上电极芯片21与下电极芯片26之间流过脉冲状的焊接电流。由此，如图4所示，在第一金属板W1与第二金属板W2之间形成第一熔核N1，在第二金属板W2与第三金属板W3之间形成第二熔核N2，并焊接第一至第三金属板W1至W3。

图5是绘示控制装置33中的焊接电流控制的具体步骤的流程图。图6是绘示利用图5的焊接电流控制实现的焊接电流的波形的图。如图6所示，由进行图5的焊接电流控制而生成的焊接电流具有交替实现峰值状态及非峰值状态的脉冲状波形，所述峰值状态达到或者维持在峰值电流范围内，所述非峰值状态从峰值电流范围内向底值电流(例如0)下降后再朝峰值电流范围上升。

起初在S1中，控制装置33执行电流控制处理，并且转移至S2。然后如参照图7所详细叙述，在此电流控制处理中，控制装置33在使焊接电流从底值电流朝峰值电流范围上升之后，在特定时间内维持峰值状态。

在S2中，控制装置33判定是否经过特定的斜率(slope)时间。如图5所示，此斜率时间是预先设定的，是将电流上升时间与峰值维持时间加起来的时间，电流上升时间也就是焊接电流从底值电流达到峰值电流范围的上限值的时间，峰值维持时间也就是焊接电流维持在峰值电流范围内的时间。当S2的判定结果为“否”时，控制装置33返回S1继续执行电流控制处理，而当S2的判定结果为“是”时，转移至S3。

在S3中，控制装置33执行有效值控制处理，并且转移至S4。然后如参照图8所详细叙述，在此有效值控制处理中，控制装置33在基于焊接电流的有效值所设定的等待时间(参照图6)内等待执行电流控制处理。在S4中，控制装置33判定开始图5的焊接电流控制后是否经过设定的通电时间。此通电时间是预先设定的，相当于利用点焊装置1来接合工件W的一处所需要的时间。当S4的判定结果为“否”时，控制装置33返回S1并且再次执行电流控制处理。另外，当S4的判定结果为“是”时，控制装置33结束图5的处理，以开始工件W的下一处的接合。

如上所述，在焊接电流控制中，控制装置33藉由在通电时间内重复执行电流控制处理(参照S1)与有效值控制处理(参照S3)来将如图6所示的脉冲状波形的焊接电流外加至电极芯片21,26间。

图7是绘示电流控制处理的具体步骤的流程图。

起初，在S11中，控制装置33藉由使用从电流传感器3d发送的电流检测信号来获取电流当前值Ipv，并且转移至S12，电流当前值Ipv也就是焊接电流的当前值。在S12中，控制装置33设定相当于针对焊接电流的目标值的目标电流值Isp，并且转移至S13。如图6所示，目标电流值Isp设定为特定的电流上升斜率之间或者峰值电流范围的上限值与下限值之间。

在S13中，控制装置33藉由使用在S11中获取的电流当前值Ipv来算出焊接电流的有效值Irms，并且转移至S14。更具体地说，控制装置33藉由算出开始图5的焊接电流控制后到目前之间所经过的时间内的电流当前值Ipv的均方值的平方根来算出有效值Irms。

在S14中，控制装置33藉由从S12中设定的目标电流值Isp减去在S11中获取的电流当前值Ipv来算出电流偏差Idev，并且转移至S15。

在S15中，控制装置33根据基于在S14中算出的电流偏差Idev的反馈控制规则(具体地说，例如PI控制规则)，以电流偏差Idev为0来算出脉冲宽度PW，并且转移至S16。更具体地说，控制装置33藉由将电流偏差Idev乘以特定的比例增益Kp所得的值加上电流偏差Idev的积分值乘以特定的积分增益Ki所得的值来算出脉冲宽度PW。

在S16中，控制装置33开始PW计数，并且转移至S17。在S17中，控制装置33打开设置于逆变器电路32上的开关元件，并且转移至S18。在S18中，控制装置33判定PW计数值是否为0，也就是在SI6中开始PW计数后是否经过相当于脉冲宽度PW的时间。当S18的判定结果为“否”时，控制装置33返回S17并且继续打开开关元件，而当S18的判定结果为“是”时，转移至S19。

在S19中，控制装置33关闭设置于逆变器电路32上的开关元件，并且转移至S20。在S20中，控制装置33判定在S17中打开开关元件后是否经过设定的载波周期。当S20的判定结果为“否”时，控制装置33返回S19并且继续关闭开关元件，而当S20的判定结果为“是”时，转移至图5的S2。

图8是绘示有效值控制处理的具体步骤的流程图。

在S31中，控制装置33开始等待时间计数，以测量相当于有效值控制处理的执行时间的通电等待时间(参照图6)，并且转移至S32。在S32中，控制装置33藉由使用从电流传感器3d发送的电流检测信号来获取电流当前值Ipv，并且转移至S33。在S33中，控制装置33藉由使用在S32中获取的电流当前值Ipv来按照与S13相同的顺序算出焊接电流的有效值Irms，并且转移至S34。

在S34中，控制装置33判定在S33中算出的有效值Irms是否达到设定为特定的下限值Itrg_min与特定的上限值Itrg_max之间的有效值目标范围内(Itrg_min≤Irms≤Itrg_max)。另外，当S34的判定结果为“是”时，控制装置33开始下一周期的电流控制处理，使焊接电流朝峰值电流范围再次上升，并且转移至图5的S4。

另外，当S34的判定结果为“否”时，控制装置33转移至S35，判定在S31中开始的等待时间计数的值是否为0，换句话说，判定通电等待时间是否超过特定的时间。当S35的判定结果为“否”时，控制装置33返回至S32，使有效值Irms降低，并等待开始下一周期的电流控制处理，直到达到有效值目标范围内。另外，当S35的判定结果为“是”时，也就是在特定时间内，有效值Irms未达到有效值目标范围内时，控制装置33转移至S36，藉由例如点亮警告灯来向操作者报知产生某种异常，并结束焊接电流控制。

接着，针对执行如上所述的焊接电流控制而生成的焊接电流的波形，参照图6加以详细说明。

起初，在时刻t1至t3之间，控制装置33重复执行图7所示的电流控制处理，直至经过预先设定的斜率时间。如参照图7所说明，在此电流控制处理中，设定目标电流值Isp，并利用PI控制决定脉冲宽度PW，以便经由电流传感器3d获取的电流当前值Ipv成为目标电流值Isp，在此脉冲宽度PW下利用PWM控制来驱动逆变器电路32。由此，如图6所示，在时刻t1以后，焊接电流从底值电流朝峰值电流范围上升，在时刻t2达到峰值电流范围的上限值。然后在时刻t2以后，焊接电流利用控制装置33中的PI控制来维持在峰值电流范围内。然后在时刻t3，对应于在时刻t1开始电流控制处理后经过斜率时间(参照S2)，控制装置33结束电流控制处理(参照S1)，并开始有效值控制处理(参照S3)。

藉由执行如上所述的电流控制处理来对工件W外加维持在峰值电流范围内的焊接电流。由此，如图4所示，分别在第一金属板W1与第二金属板W2间及第二金属板W2与第三金属板W3间促进熔核N1,N2的成长。此处，如图4所示，第一金属板W1的厚度比第二金属板W2及第三金属板W3的厚度更薄。因此，第一金属板W1与第二金属板W2间的接触阻抗比第二金属板W2与第三金属板W3间的接触阻抗更小。因此，第一金属板W1与第二金属板W2间的因流过焊接电流利用接触阻抗产生的焦耳热比第二金属板W2与第三金属板W3间的更大。因此，在峰值状态下，在第二金属板W2与第三金属板W3间生成的熔核N2的成长速度比在第一金属板W1与第二金属板W2间生成的熔核N1的成长速度更快。

返回图6，在时刻t3至t5之间，控制装置33执行参照图8说明的有效值控制处理。在此有效值控制处理中，控制装置33算出焊接电流的有效值Irms(参照S33)，并停止逆变器电路32的驱动，直到此有效值Irms达到有效值目标范围内。由此，在时刻t3以后，焊接电流朝底值电流快速下降，在时刻t4达到底值电流。然后，在时刻t5，对应于有效值Irms降低并达到执行值目标范围内，控制装置33结束有效值控制处理，并且开始下一周期的电流控制处理。由此，在时刻t5以后，焊接电流从底值电流朝峰值电流范围再次上升。

藉由执行如上所述的有效值控制处理来在焊接电流的有效值Irms达到有效值目标范围内之前的通电等待时间内，停止逆变器电路32的驱动。因此，在进行有效值控制处理时，焊接电流维持在限制于峰值电流范围的下限值以下的状态，因此，各金属板之间生成的熔核N1,N2利用散热而冷却。此处，如上所述，第一金属板W1的厚度比第二金属板W2及第三金属板W3的厚度更薄。因此，第二金属板W2与第三金属板W3间的散热比第一金属板W1与第二金属板W2间的散热更小。在维持将焊接电流维持限制于峰值电流范围以下的状态时，由熔核N2的散热实现的冷却量比由熔核N1的散热实现的冷却量更大。如上所述，由于峰值状态中的熔核N2的成长速度比熔核N1的成长速度更快，因此，藉由在这样的通电等待时间内维持焊接电流限制于峰值电流范围以下的状态，并促进熔核N2的冷却，可以在第二金属板W2与第三金属板W3间抑制飞溅产生。另外，在此有效值控制处理中，藉由对应于焊接电流的有效值Irms达到有效值目标范围内，而开始下一周期的电流控制处理，使焊接电流再次上升，能够控制在各金属板W1至W3之间使熔核N1,N2成长所需要的能量，因此，如上所述能够抑制飞溅产生并且牢固地接合工件。

以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但本发明并不限定于此。可以在本发明的主旨范围内对细节的构造进行适当变更。

附图标记

S 焊接系统

W 工件

W1 第一金属板

W2 第二金属板

W3 第三金属板

1 点焊装置(焊接装置)

2 枪主体

21 上电极芯片(电极)

26 下电极芯片(电极)

3 焊接电源电路

3a 焊接控制电路

3b DC焊接变压器

3d 电流传感器

31 转换器电路

32 逆变器电路

33 控制装置

34 变压器

35 整流电路

L1,L2 电源线

Claims (3)

1.一种点焊方法，其供给焊接电流来将工件接合，其特征在于：

前述焊接电流具有交替实现峰值状态及非峰值状态的脉冲状波形，所述峰值状态达到或者维持在设定的峰值电流范围内，所述非峰值状态从前述峰值电流范围朝底值电流下降后再朝前述峰值电流范围上升，

在前述非峰值状态下，等待使前述焊接电流朝前述峰值电流范围上升的电流控制的开始，直到前述焊接电流的有效值达到设定的目标范围内，当前述有效值达到前述目标范围内时，开始前述电流控制。

2.根据前述权利要求1所述的点焊方法，其中，当在特定时间内未开始前述电流控制时，停止供给前述焊接电流，并且报知发生异常。

3.根据前述权利要求1或2所述的点焊方法，其中，前述工件是将三张以上的金属板重叠而构成的层压体，

前述三张以上的金属板中的至少一张金属板形成为与其他金属板的厚度不同。

Images