CN1259416A - 无水焊接系统 - Google Patents

Abstract

一种在电焊系统中使用的、不需要工厂提供空气和水冷却循环系统的基于电阻焊的焊枪组件。其中,基于电阻的力控制器测量焊枪的二级电路的电阻、与当夹持在电极之间时由工件和相对电极形成的电路相并联的二级电路的组合电阻,并计算工件的电阻。把测量电阻与预定电阻比较,并调节电极的夹持力,直到工件的电阻是可接受的。本发明还涉及带有冷却剂管线、包含在冷却剂管线中的冷却剂、热交换器、及机械冷却剂泵的闭环冷却剂系统。

Description

无水焊接系统

申请人以此根据美国申请序号No.____要求优先权，该申请是1995年4月19日提出、且颁布为美国专利No.5,742,022的美国申请No.424,933的部分继续申请，并且基于1998年8月5日提出的美国临时申请No.60/095385要求优先权。特引入美国申请No.____的完全公开，以供参考。

本发明一般涉及一种供电焊系统用的改进的基于电阻焊接的焊枪组件，更具体地说，涉及一种选择性地包括基于电阻的力控制器或机械非电气闭环冷却系统、以消除对工厂提供的设施的需要的组件。

电阻焊接利用电的流动把两个或多个重叠金属工件彼此永久地连接。典型地，金属工件置于电焊系统焊枪组件的两个相对电极之间。强迫电极彼此接近，直到其末端在足以夹持工件，并且保证电极与工件之间的适当电气接触的压力下接触工件的外表面。然后引导电流从一个电极末端路经夹持的工件流到另一个电极末端。工件在生成的电路中起导体作用，并且在金属之间界面处的电流流动的电阻产生热。每个工件受影响的金属选择性地被熔化，并且与相邻工件的熔化金属相互作用，以而在电极末端接触点处形成永久把工件粘结在一起的焊接熔核。

多个因素与焊接熔核的产生有关，包括电极末端与工件之间的接触力和面积、电流流动值、电流流动持续的时间长度、工件缺陷程度、及甚至电极末端本身的状态。

先有技术讲授了产生适当焊接熔核的重要性。因此，即使有显著的工件缺陷，也由于有大的力、电流值、和电流施加次数，而使焊接系统过分配置成产生焊接熔核。然而，许多生成的焊接点仍然有缺陷。因此，一般添加占总焊接点的25％的焊接点以保证适当的结构完整性。

而且，对于可能工件缺陷的这种过补偿导致电极末端在末端与相配工件之间的接触点处的显著大变形(扩大)。如果不适当地冷却电极末端，则电极经历过分的末端磨损、变形、末端粘着及甚至末端熔化，所有这些都导致差的焊接质量、和增加的维修费用。在电极末端处大量热的产生也导致大量热累积在焊接控制单元、变压器、及布置在电极与变压器之间的次级(即大电流)电缆中。

况且，对夹持工件施加连续的大电极力，要求使用大的压缩空气源。压缩空气保证致动各种气缸，以相对于要夹持在焊枪电极之间的工件而定位焊枪电极、且产生力。

复杂空气和水系统及其多根软管和相应管路、阀等，与控制器和供给机构相组合的使用，大地增加了制造费用。据估计，电焊系统总成本的约25％能归因于外部空气和水冷却循环系统的使用。

典型的电焊系统必须专门设计、建造、和测试，需要多个熟练工种的服务。在供应商的这种测试之后，检验的焊接系统然后拆卸、运输、及在最终制造设施处重新安装。这样的中间步骤显著增加了提供完整电焊系统的时间滞后。况且，设计和测试设施、以及最终制造设施，必须花费大量资金并且对空气和水冷却循环系统进行连续投资。

问题不限于电焊系统本身的制造。要求的较大水冷却和空气循环系统的连续维修问题是昂贵的。据估计，典型电焊系统可能超过80％的停机时间，可以归因于空气软管群、及与相应管路、阀等相组合的供给和返回冷却水软管。

有需要复杂水和空气供给循环系统的附加成本。每个电焊系统成为独特的。必须使软管的每段长度、管路或导管中的每个弯、及用于各种冷却水附件的每种选择布置适合具体焊接系统。软管群(贬意地称作“意大利面条”)的运动学不能被准确地预测或模型化。因而，在每个工作单元中的机器人运动必须在现场一步一步地输入，以保证软管不缠连。同样由于压缩空气和水软管及有关元件的增多，显著减小了其中机械手可以运动伸到例如焊接点的生成“窗口”，从而进一步使问题恶化。因而，延长了编程机械手的时间，并且显著增大了处理工件的生成过程时间。

在具有大量电焊系统的制造厂中，必须单独建造、安装、和维修的每个电焊系统的总成本是昂贵的。因而，需要提供一种尽量减小或消除上述一个或多个问题的改进电焊系统。

本发明旨在一种供电焊系统用的改进焊枪组件，该电焊系统包括各种特征，以消除带有其附属复杂性、费用、和维修问题的基于外部装置的外部空气和水冷却循环系统的需要。

本发明的第一方面包括一种具有相对电极的焊枪，该电极在一个预定范围内可持续分离，用来通过至少两个金属工件提供焊接电流。该焊枪包括：一个焊接二级电路，包括变压器二级绕组，与一个变压器和焊接控制器组合；及一个电气致动、电子控制的致动器，可操作地联接到焊枪上。该致动器能够把电极运动到多个电极隔离中距离的任意一个，电极适于在小心控制的力值下接触工件。最好，电极柔和地接触工件(即用准确控制的极小力)。对于低功循环焊接，不用冷却，不需要另外的特征。对于高功循环，一个基于电阻的力控制器可结合联接到致动器上的主控制器而工作，以便按照包括由基于电阻的力控制器产生的信号的预定标准，来控制致动器。

在操作中，致动器最好包括一个校准步骤，其中对于以预定力值彼此接触的相对电极复位到零。在该点处，能使用闭合位置二级电阻值，以确定电极的状态。如有必要，能产生用于末端修整的请求。

最好，当电极选择性地啮合工件时，焊接二级电路提供一条高传导性的电流路径，其中工件比二极电路导电性差。而且，基于电阻的力控制器最好包括至少四根引线，一根激励引线一般引到诸电极臂的每一个，而一根测量引线也引到电极臂的每一个。在操作中，当电极没有与工件接触时，基于电阻的力控制器借助于每根激励引线通过所述二级电路施加电流，选择性地激励二级电路，并且借助于每根测量引线选择性地测量二级电路的电阻。

当就要焊接工件时，力控制器激励二级电路，并且测量二级电路的总电阻、和致动器把预定力施加到工件上之后的工件导管路径的生成电阻。把工件导管路径的计算电阻与预定标准相比较。如果电阻不在预定标准范围内，例如当工件带有意想不到的缺陷时，则力控制器选择性地产生一个到致动器的信号，以通过一个预定增量调节由致动器施加到工件上的预定力。重复性的过程继续，直到满足预定标准，并且焊枪组件然后产生一次或多次焊接。另外，力控制器可以连续地监视和测量电阻(电压降)，同时焊枪控制持续地增大力。当达到适当值以产生焊接时，力控制器可以中断焊枪控制。

产生显著的优点。首先，电阻值的检测、和关于诸如力、电流、电压和电极位移之类焊接参数的动态优化的控制，有助于保证一致良好的焊接熔核。因而，对于特定部分需要的焊接熔核数量显著减小。第二，利用电阻值的检测可保证适当电路的电阻值已经形成在两个电极与工件之间，从而允许使用低得多的施加到工件上的电极力。这样一种较低的力使诸如电极末端、和焊枪机构损坏之类的焊枪退化减至最小。第三，减小喷溅，喷溅是关于最好用来产生焊接熔核的熔化金属的不希望损失。第四，电极具有精确和无限打开位置，减小了循环时间。第五，减小了电极变形，从而相等的电流允许较高的电流密度。这些和其他优点相结合允许在产生温度处成功焊接，而不需要基于外部设施的水冷却。

因而，即使在“高功循环”过程中，不基于设施的隔离冷却机构的使用也是可能的。一种这样的机构包括一个住复式冷却剂热提取器。该提取器包括：一种高传导性的冷却剂；一个带有诸如机械操作的活塞之类的致动器的缸；一个热交换器；及一个用于冷却剂的闭环系统，包括致动器和热交换器。在操作中，当操作焊枪组件时，一个活塞在缸中运动以循环冷却剂，从而从热源拾取热，并且通过热交换器释放热。

最好，活塞机械连接到焊枪上。一个旋转点产生在焊枪的相对电极之间，并且一根机械连杆然后固定到活塞和焊枪上。机械连杆的第一端固定到旋转电极上，而第二端固定到活塞上。中间部分固定到电极臂之间的旋转点上。包含冷却剂的管线包括各种路径和单向阀，以在冷却剂从热元件除去热和消散热时控制冷却剂的运动。

第二种不基于工厂的隔离冷却机构包括一个皮囊装置。一个单向阀布置在一个热源与一个热交换器之间，并且一个第二单向阀布置在热源与皮囊之间。当冷却剂随着热量添加而膨胀时，它从热源通过第一单向阀流到热交换器，皮囊膨胀以容纳来自膨胀冷却剂的增大体积。第一单向阀在冷却剂膨胀结束时选择性地关闭，同时第二单向阀选择性地打开，以在来自皮囊的力作用下把冷却剂重新供给到热源。

第三种不基于工厂的隔离冷却机构仅依赖于与电极臂本身有关的自然传导和对流。在与适于接收电极的容器相邻的区域中，使每个臂的质量和外表面面积最大，从而热量可以从电极传导到外表面，并且通过对流消散。为了增大臂的表面面积，可以使用一列带有限定在其间的通道或在臂内的开口的肋或波纹。

在阅读如下详细描述、权利要求书、和附图时，将使本发明的特征和创造性方面变得更加明白，如下是附图的简要描述：

图1是在带有基于电阻的力控制器的电焊系统中使用的焊枪组件的示意图。

图2A、2B、和2C是表示使用基于电阻的力控制器以确定二级电阻的示意图。

图3是在带有基于电阻的力控制器的电焊系统中使用的、且进一步包括在二级电路内的一根空气冷却跨接电缆的一种焊枪组件的第二实施例的示意图。

图4是在带有基于电阻的力控制器的电焊系统中使用的、且进一步包括一个用于变压器和电极每一个的闭环冷却系统的一种焊枪组件的第三实施例的示意图。

图5是在带有基于电阻的力控制器的电焊系统中使用的、且进一步包括一个用于变压器和电极每一个的闭环冷却系统以及一根空气冷却跨接电缆的一种焊枪组件的第四实施例的示意图。

图6是在带有基于电阻的力控制器的电焊系统中使用的、且进一步包括一个基于焊枪致动器的机械运动而用于变压器的闭环冷却系统的一种焊枪组件的第五实施例的示意图。

图7是在带有基于电阻的力控制器的电焊系统中使用的、且进一步包括一个基于焊枪致动器的机械运动而用于变压器的闭环冷却系统以及一根空气冷却跨接电缆的一种焊枪组件的第六实施例的示意图。

图8是关于本发明操作的流程图。

图9是包括提供辅助表面面积的槽和开口以提高对流的一种焊枪组件的一部分。

本发明涉及在电焊系统中使用的一种改进的基于电阻焊的焊枪组件20，如图1中所示。为了易于理解，借助于示意图表示各种关键元件，并且已经消除了对以后的权利要求书不是根本的元件。然而，关于具体元件的详细信息能在共同待决申请序号____中找到，这些具体元件能并入基于焊接的焊枪组件20的一个可能实施例中，焊枪组件20信息包括关于主机控制、焊接控制、电气致动器系统、变压器、及焊枪的一个或多个实施例的具体信息，该申请的整个说明书特此编入供参考，并且增加如下描述。

组件20适于进行电阻焊接操作。它包括带有相对电极24和26的焊枪22，电极24和26可在预定范围内持续地隔离，以便选择性地通过至少两个工件28和30提供焊接电流。每个电极24和26在接触相应工件28和30的外表面34的有关末端32处终止。

组件20包括一个用来把焊接电流提供到电极24和26的变压器36，如由二级电路线38所示。一个焊接控制器40又可操作地连接到变压器36上，如由线42所示。

焊枪22包括一个其上安装电极26的固定臂44、和一个其上安装电极24的可旋转臂46，臂46相对于臂44绕一个固定旋转点48旋转。一个电气致动电子控制致动器50包括一个固定缸52和一个直线可运动的活塞54，活塞54的一个自由端56借助于一个旋转点58可旋转地连接到臂46上。致动器50能够把电极24运动到相对于电极26的多个预定间隔距离的任一个处。致动器50包括一个测量缸52内活塞54的相对运动的用于过程监视的传感器59，如相互计算电极24和26末端的位移监视。致动器50也能够准确和重复地把预定力施加到夹持在电极24和26之间的工件28和30上。如下面讨论的那样，致动器50在实际提高焊接质量的同时使施加的力最小。只表示一种可接受的致动器50。如由熟悉本专业的技术人员所认识的那样，其他可接受的致动器包括线性电机、机械手、球和螺旋系统、液压系统、气动系统、及凸轮驱动系统。

致动器50和焊接控制器40都可操作地连接到一个主控制器60上。主控制器60可以是一个个人计算机。主控制器60利用软件/硬件，并且和与其通信的包括力、电流、电压、位移和电阻传感器的各种单元相结合地工作，以便对于具有最小热输出的高质量焊接允许焊接参数(即力、电流、和焊接时间)的动态检测和连续优化。

一个基于电阻的力控制器66也借助于一根线68可操作地连接到主控制器60上。控制器66包括至少四根引线70、72、74和76。如图所示，激励引线70和72分别引到靠近电极24和26的臂46和44的部分，而测量引线74和76分别引到靠近电极24和26的臂46和44的部分。最好，引线70和74、及引线72和76在臂46和44的相同部分终止。

如在图2A和2B最清楚表示得那样，一个包括变压器二级线圈的二级电路78一般由一个设备电路电流通路80限定。通路80的限定是通过臂46一部分的引线70和74的终端、进入变压器36的线38、臂44的一部分、及在引线72和76处终止。最好，二级电路78比工件28和30更易导电。在控制器66与焊枪22之间的引线70、72、74和76的布置在图中仅是说明性的，只要他们形成二极电路78的一部分即可。况且，尽管为了解释的目的独立地表示控制器66，但它不必是一个独立的控制器。例如，其功能能并入主控制器60或焊接控制器40中。

一般地，焊接操作依赖于交变电流(“AC”)。然而，如以上对于校准提到的那样，使用力控制器66时，一般使用直流(“DC”)。因而，电极24、26之一具有负极性，而另一个电极具有正极性。

在常规电阻焊接系统中，焊接力过大。根据最坏的焊接情况规定他们，其中要焊接的工件必须先弯曲，以在焊接力开始影响工件之间表面界面处的电阻之前，使他们接触。

本发明通过测量电阻以确定最佳焊接力，来避免先有技术的问题。减小焊接力有多个优点，包括延长电极寿命，特别是在非冷却状态下，和降低致动器要求。就较低的致动器要求而论，设备和操作成本显著地降低。与取决于基于设施的空气循环系统的较常规压缩空气致动器相反，一种电气致动、电子控制的致动器50是可行的。焊接力减小也能限制产品的凹痕和提高焊接质量。而且，诸如力、电流、电压、及电极位移之类的焊接参数的动态优化的电阻值检测和控制，大大增加了良好焊点的可能性。因此，需要偿试去用较少的焊点实现结构完整性。据估计，约25％的焊点要添加到工件上作为保证。预期本发明将导致一致的焊接熔核形成、和熔化金属喷溅的消除。而且，通过电极24和26的准确和无限末端定位，将减少循环时间。

然而，更重要的是，这些各种改进累积允许在产生温度下的成功焊接，当安装到焊枪组件上时，不需要基于外部设施的带有其相联管线和硬件的水冷却和空气循环源。因而，根据本发明的焊枪组件20可以以大大减小的成本较简单地建造。据估计，高达焊枪组件总成本的25％与对空气和水冷却管线及其设施的需要有关。关于空气和水管线的维修问题是焊枪组件停机时间的最重要原因之一。消除了这些原因。有与维修空气和水的外部源有关的使用成本。这些也被消除。而且，空气和水冷却管线的消除大大地提高了机器人编程和焊枪可运用性。

过程一般按如下工作，并且如图2A、2B、2C和借助于图8中的流程图所示。首先，如图8点90和图2C中所示，电气致动器50对于彼此以预定力值接触的电极24和26进行重新零化。在这点，基于电阻的力控制器66使用引线70和72激励二级电路78。使用测量引线74和76测量二级电路78的电阻。表示在图2C中的在闭合位置的电阻值用来确定电极24和26的状态，并且与预定电阻值相比较，以确定是否应该产生对于末端修整的请求。

如在图8的点92处和图2A中所示，控制器60使用引线70和72与基于电阻的力控制器66连通，以激励二级电路78。使用测量引线74和76测量带有彼此分离的电极24和26的二级电路78的电阻。二级电路78的电阻可能随温度的变化而增大。如果这样，那么当在如此多次焊接之后有温度增大时，可能需要进行校准。在打开位置(图2A)的电阻值可以结合其他电阻测量使用，以计算或建立需要或希望的电阻值。

其次，如在步骤93、94、96和98处所示，机器人(未表示)首先把焊枪22定位在适当焊接位置。然后致动器50闭合焊枪22，从而电极24和26的末端32把一个编程的最小力施加到工件28和30上。一个可能的最小力是50磅，尽管如果把初始力设置成在上次焊接使用的力或在其附近，如同可以存储在主控制器60中那样，则循环次数可以减小。致动器50将确认已经实现了适当的最小编程力。在上面为参考而编入的申请中更详细地讨论了力检测装置的概念。然而，它包括一个可操作地联接到焊枪20上用来检测电极24和26之间的力的负载传感器。负载传感器(末表示)产生一个指示检测力的力信号，并且把该信号传送到控制器60。

一旦实现最小编程力，控制器66再次激励二级电路78，如图2B中和在图8的点100处所示。测量引线74和76再次测量电阻。然而，测量的电阻是由与工件电流通路80并联的二级电路78限定的焊接设备的电阻。工件电流通路80定义为由电极24和26结合工件28和30产生的电路。通过使用在图2A中确定的电阻值，主控制器60能根据如下熟知的公式计算工件28和30的电阻：

R_T＝(R₁·R₂)/(R₁+R₂)

其中R_T是二级电路和工件电流通路的组合电阻(如测量的那样)，R₁是二级电路的电阻(如测量的那样)，及R₂是工件电流通路的电阻(如计算的那样)。当然，如果必须测量辅助电阻，则根据取决于元件是否并联、串联、或其组合的公式R_T＝1/((1/R₁)+(1/R₂)+(1/R_N))或类似公式，可以改进该公式，如熟悉本专业的技术人员所熟知的那样。况且，如以上提到的在整个时间上要求的那样，能重新计算各种电阻。例如，当电极24和26的末端开始磨损，但没有到需要末端修整的点处时，在电极与工件28和30之间有扩大的接触面积。电阻变化能被补偿，并且将导致焊接电流相对于时间的逐渐增大。

如果所计算的工件电阻离预定目标值足够近，如确定点102处所示，则通过在点104处与主控制器60和焊接控制器40通信而工件的电气致动器开始焊接，以产生焊接熔核。如果否，如点106处所示，则基于电阻的力控制器与控制器60通信，从而通过预定增量来适当调节借助于致动器50施加到工件28和30上的力。过程循环返回到点100，并且重复，直到达到目标电阻值。

尽管已经使用控制器60说明重复性过程，但应该认识到，也可以利用诸如非重复模拟过程之类的其他手段。在这样一种非重复模拟手段下，在工件28和30上的力连续增大的同时，力控制器60将连续地监视和测量电阻(电压降)，直至达到适当的值为止。一旦达到该值，就隔离力控制器60，并且产生焊接。

一旦完成焊接，就在点108处，焊接控制器40向致动器50发信号。致动器50打开焊枪22，并且向机器人发信号以前进到下一个焊接位置，如在点110处所示。如在决定点112处所示，如果没有完成由工件28和30代表部分的焊接，那么过程循环到点93，并且机器人(末表示)把焊枪22定位到下一个焊接位置。另外，如果完成工件28和30的焊接，那么机器人返回其原始位置，并且在到达时向主控制器60发信号，如点114处所示。最后，机器人在点116处等待下个循环的开始，并且循环在点90处再次开始。

基于电阻的力控制器66有多个重要特征。首先，控制器必须在焊接期间与二级电路78电气隔离，以防止损坏控制器的电路。如果隔离是用物理开关实现，那么接触电阻是一个关心的问题。然而，如果考虑用半导体装置，那么电路设计必须适应非线性和电流泄漏。第二，控制器66必须为电阻测量以低压、大电流值(例如，10-100安培)提供稳定的激励。第三，控制器66必须能够检测甚至非常小的、在微欧姆量级上的电阻变化。第四，控制器66必须抑制电磁干扰(“EMI”)，以便分辨低电平信号。在实际中，预期控制器66将包括：一个工业用微欧计，或包括一个高端电源的专用电路；及带有适当屏蔽的精确、低电阻单臂电桥，或测量低电阻的类似装置。

为了进一步有助于从组件20除去多余的热量，焊接控制器40和变压器36最好通过使用散热片进行空气冷却。因而，不使用冷却水冷却这些功率电子装置。

本发明的第二实施例，一个焊枪组件120，表示在图3中。焊枪组件120类似于组件20，但包括一个带有布置在变压器36与焊枪22之间的一个热交换器的空气冷却无冲击或跨接电缆系统120。二级电流电缆124、126、和128由周围空气冷却，以在焊枪操作期间从组件除去多余热量。当焊枪尺寸或重量要求远程安装变压器的使用时，这样一种物品可选择地并入焊枪组件中，并且进一步有助于从组件除去多余热量，而不需要依赖于诸如水之类的软管和工厂设施设备效用的外部冷却系统。

只要本发明的焊枪组件用在“低功循环”环境中，则使用基于电阻的力控制器66结合以上指示的焊接参数的动态控制、及变压器36和二级电流电缆的周围冷却，一般足以用最小热输出提供高质量焊接。然而，当在“高功循环”环境中使用焊枪组件时，本发明包括利用机械、非电气闭环冷却系统通过电焊系统的大电流元件选择性地抽吸高传导性冷却剂的辅助步骤。这样的闭环冷却系统的优点在于，他们实际包含在焊枪组件内，并且是自循环的，如下面更详细讨论的那样。因此，工厂设施设备不需要外部连接。跟随的冷却系统每个与焊枪组件的电气系统电气隔离。

一种这样的闭环系统表示在图4中所示的焊枪组件130中。焊枪组件130非常类似于图1所示的组件，但包括一个用于电极24、26和变压器36的独立闭环冷却系统132。这三个元件一般由于他们在焊枪操作期间承受的大电流负载而产生大部分热量。还预见，单个系统132可以用于所有这三个元件，尽管在图中表示有三个独立的冷却系统。

冷却剂系统132基于受由于焊接电流产生的热量引起的蒸气膨胀影响的循环冷却流体的概念。每个冷却剂系统132包括一种高传导的冷却剂134，冷却剂134包含在一根管线135中，当添加热量时膨胀。系统132进一步包括一个要冷却的热源、一个热交换器136、一个包括一个弹性皮囊138的机械泵、及至少两个单向阀140和142，它们都布置在管线135内。在操作中，当由电极24、26之一或变压器36产生热量时，冷却剂膨胀。膨胀的冷却剂从热源经单向阀140流动并且进入皮囊138中。从皮囊138，冷却剂134选择性地进入消散大部分热量的热交换器136。皮囊138是弹性的，并且设计成相对于要求的偏移膨胀，以容纳来自膨胀冷却剂的增大体积。当冷却剂膨胀结束时(即一旦焊接完成)，第一单向阀140选择性地关闭。然后第二单向阀选择性地打开，以随着皮囊返回其无偏移外形，在来自皮囊138的力作用下把冷却剂重新供给到热源。单向阀140和142有助于保证冷却剂134仅在单向通过管线135运动。最好，这样选择冷却剂134，从而使它在膨胀热状态是蒸气状的，而在冷却状态是流体状的。

图5公开了一种焊枪组件150。焊枪组件150非常类似于图3中所示的组件，但包括用于以上讨论的臂44、46、和变压器36的一个独立闭环冷却剂系统132。

图6用基于具有往复式软芯热提取器概念的一种闭环冷却系统162的不同实施例，公开了一种焊枪组件160。冷却系统162包括一种在一根管线165内的高传导性冷却剂164、一个要冷却的热源(例如一个变压器36)、一个热交换器166、一个包括一个致动器168的机械泵、及多个布置在管线165内的单路单向阀170、172和174。机械致动器168包括一个在缸178内往复运动的活塞176。活塞176在外端180处借助于一根第二机械连杆182，机械地连接到可运动臂46和致动器50的活塞54上。

连杆182最好是直线的，并且在第一端184处可旋转地固定到致动器活塞54的旋转点58上，而在第二端186处可旋转地固定到活塞176的外端180上。一个中间点188可旋转地固定到在焊枪22的臂44与46之间的固定旋转点48上。

管线165包括布置在缸178的第一端192与缸178的第二端194之间的一条第一冷却剂通路190。单向阀172布置在通路190内，以允许冷却剂164从端部194向端部192运动。一条第二冷却剂通路196布置在热源(变压器36)与缸178的第一端192之间。单向阀174布置在第二通路196内，以允许冷却剂164从第一端192运动到热源中。一条第三冷却剂通路198布置在热源与热交换器166之间。最后，一条第四通路200布置在热交换器166与缸178的第二端194之间。单向阀170布置在通路200内，允许冷却剂164从热交换器166运动到缸178的第二端194中。

在操作中，闭环冷却剂系统162按如下工作。当致动器50的活塞54从其中电极24和26分离的停止位置，向其中电极24和26接触工件28和30的致动位置运动时，机械致动器168的活塞176从缸178的第一端192向第二端194运动。流体经第一冷却剂通路190从第二端194经由单向阀172流入第一端192，旁通变压器36和热交换器166。然而，当活塞54从致动位置运动到停止位置时，活塞176从第二端194运动到第一端192。迫使冷却剂164从第一端192通过热源经由通路196和198进入热交换器166中。从热交换器166，冷却剂164流入缸178的第二端194。因而，随着在焊接已经进行后，致动器从其致动位置运动到其停止位置，热量经由热交换器166从热源除去。最好，这样选择冷却剂164，从而使它在膨胀热状态下是蒸气状的，而在冷却状态下是流体状的。

表示在图7中的焊枪组件210以与图6中所示的相同方式操作。然而，组件包括空气冷却跨接电缆系统122。

仅表示了闭环冷却系统162的一个实施例。然而，可以想象，致动器50可以向使用任何各种机械连接的焊枪系统的一个或多个大电流区域提供冷却。这样一种方法的优点在于，向焊枪组件提供要求的内部冷却，同时避免对于诸如基于水的之类的工厂设施冷却系统的需要，如以上详细讨论的那样。

图8表明表示基于电阻的力控制器66使用的流程图。然而，它还表示本发明的各种补充过程项。这些项包括用于初始系统校准的致动器50的使用、用于位移监视的传感器59的使用、及以上讨论的冷却系统132和162的使用。

图9表示带有仅取决于借助用来冷却的大气的自然对流、传导和辐射的相对电极臂262和264的一种焊枪组件260的使用。焊枪组件260达到平衡，并且在通常焊接条件下保持该平衡超过6,000次焊接而不失效。况且，与坚持要求复杂水冷却系统的先有技术相反，在有足够的电极臂材料存在，以支持从电极到用于对流的外表面的热传导时，  自然对流至今是关于焊枪组件热消散的重要因素。热消散的辐射作用是最小的。

因此，为了提高自然对流效果，焊枪组件260包括带有沿外表面270限定在其间的通道268的多个肋266或波纹，以增大与电极相邻的焊枪的表面面积和对流速率。在相邻接收电极的容器272的区域中，表面面积需要最大化到可能的程度。随着离开电极的距离增加，对流起冷却的作用变小。

形成在相邻肋之间的竖直延伸通道与水平延伸的肋相反，提供大大改进的对流。然而，肋的主要目的在于通过增大可用表面面积改进对流。肋本身可以延伸，以代表翅状元件。

焊枪组件260还在各个电极臂中包括多个开口274。开口也增加可用于对流的表面面积。开口可以穿过整个臂延伸，或者在臂内的各个位置结束，由此形成钻孔。开口的数量和程度主要取决于，要保持的结构完整性与提供必需传导所需的足够材料。然而，已经发现，如果热量在对流开始之前流过较小距离，则需要较少材料。

为了起到把热量消散到外焊枪组件表面的传导作用，上和下电极臂262和264一般都具有类似的质量，并且该质量最好大于靠近电极的，特别是靠近电极的常规焊枪的质量。通过使每个电极臂具有类似的质量，大大地增强了组件260的热平衡，尽量减小了系统失效的可能性。要求增加质量以提供至外表面的适当传导，从而对流可以发生。一种最佳的电极臂材料是铜。

在自然对流不足够的情况下，组件260可以包括一个或多个吹动空气穿过肋和通道的风扇276，以进一步提高热量消散。通常推荐相对的风扇，因为工件的安置会阻止空气的流动。除风扇之外，电极臂262和264在焊接循环之间连续打开或闭合，以进一步提高对流。臂本身可以包括叶片278，以增加对流气流。

如下对于用于自然对流冷却焊枪的要求竖直面积进行粗略估计。主要假设是，能在整个时间段上平均来自输入焊接过程的能量；假定输入能量作用在焊枪组件的整个竖直表面面积上，并且稳定的状态存在。

输入能量等于电流的平方乘以总电阻再乘以电流作用的时间，即E＝I^**2^*R^*t(焦尔)，其中R假定是0.001欧姆。典型的焊接过程具有施加较短时间的电流，接着是较长时间的无电流。该模式重复多个循环，然后存在其中没有电流通过的长得多时间(例如焊枪组件的内和外的部分运动)。一个“周期”能定义为其中发生几次焊接、除去第一部分、及插入下一个部分、准备再次开始循环的总时间。当在整个时间段上平均输入能量，并且过程包括多个周期时，能把输入能量考虑为在足够长时间下输入的稳态功率(注意以瓦特为单位的功率＝焦尔每秒)。

在第一实例焊接过程中，循环包括以9,000安培作用0.13秒，每4.43秒发生一次焊接。因此，在0与4.3秒之间无电流通过，然后在4.3与4.43秒之间施加9,000安培。周期是4.43秒长。因此，E＝9,000^**2^*0.001^*0.13＝10,773焦尔。在4.43秒整个焊接过程上的平均功率是Q＝10,773焦尔/4.43秒＝2,431.8瓦特。

在稳定状态下平衡输入能量的要求面积是A＝Q/h(Tw-Ta)，其中Q是稳态功率输入，h是自然对流系数(对于竖直壁)，Tw是竖直壁的最大允许温度，及Ta是周围的空气温度。例如，假定Tw是250摄氏度，并且假定Ta是23摄氏度。因此，A＝2,431.8/20(250-23)＝0.54平方米，或约5.8平方英尺。

相同方法可以应用于由如下参数给出的第二实例焊接过程：16,000安培；0.13秒接通和然后1.87秒断开；重复20次；及然后允许15秒部分变化。能量E＝16,000^**2^*0.001^*0.13＝33.280焦尔。在55秒的整个周期上给出Q＝605.1瓦特。因此，要求的竖直面积是A＝605.1/20(250-23)＝0.13平方米，或约1.4平方英尺。

在两个所示的例子中，即使电流在第二例子中较大(16 KA相对9KA)，并且完成每次焊接的时间较短(2秒相对于4.43秒)，要求的表面面积也较小。差别在于因为总周期要长得多(55秒相对于4.43秒)。因而，对流在冷却焊枪组件中起主要作用。使用足够的表面面积，除以上讨论的自然传导和对流外，不需要其他冷却机构。

已经公开了本发明的最佳实施例。然而，熟悉本专业的普通技术人员会认识到，在本发明的讲授范围内能进行某些修改。因此，应该研究如下的权利要求书，以确定本发明的真正范围和内容。

Claims (49)

1.一种在用来焊接至少一个金属工件的电焊系统中使用的改进焊枪组件，包括：

一个焊枪，带有至少一个在预定范围内连续可分离的、用来经工件提供焊接电流的电极；

一个焊接二级电路；

一个基于电阻的力控制器；及

一个致动器，可操作地联接到所述焊枪上，用来把所述电极移动到所述预定范围内的多个电极分离距离中的任意一个，按照预定标准控制所述致动器，所述预定标准包括由所述基于电阻的力控制器产生的一个信号。

2.根据权利要求1所述的改进焊枪组件，其中当所述电极选择性地啮合所述工件时，所述焊接二级电路提供一条经所述组件的高传导性电流路径。

3.根据权利要求2所述的改进焊枪组件，其中所述工件比所述二级电路传导性差。

4.根据权利要求3所述的改进焊枪组件，其中所述基于电阻的力控制器包括至少四根引线，工件适于布置在两根测量引线的每一根与两根激励引线的每一根之间。

5.根据权利要求4所述的改进焊枪组件，其中所述基于电阻的力控制器借助于所述激励引线的每一根通过经所述二级电路施加电流而选择性地激励所述二级电路，并且借助于所述测量引线的每一根而选择性地测量第一电阻。

6.根据权利要求5所述的改进焊枪组件，其中所述电流是直流。

7.根据权利要求5所述的改进焊枪组件，其中所述力控制器激励所述二级电路，并且在所述电极接触所述工件之前测量所述第一电阻。

8.根据权利要求5所述的改进焊枪组件，其中所述力控制器激励所述二级电路，并且在所述致动器把预定力施加到所述工件上之后测量第二电阻，及确定至少部分由所述第一电阻和所述第二电阻确定的计算电阻是否对应于所述预定标准，如果所述计算电阻不在所述预定标准范围内，则所述力控制器选择性地产生所述信号，所述致动器响应所述信号，通过预定增量调节施加到所述工件上的所述预定力。

9.根据权利要求8所述的改进焊枪组件，其中在实际焊接期间，所述基于电阻的力控制器与所述焊接二级电路电气隔离。

10.根据权利要求9所述的改进焊枪组件，其中借助于物理开关和半导体装置之一，把所述基于电阻的力控制器电气隔离。

11.根据权利要求1所述的改进焊枪组件，其中所述致动器是电气致动的、电子控制的。

12.根据权利要求1所述的改进焊枪组件，其中所述组件没有独立的外部冷却系统。

13.一种在用来焊接至少一个金属工件的电焊系统中使用的改进焊枪组件，包括：

一个焊枪，带有在预定范围内连续可分离的、用来经工件提供焊接电流的相对电极；

一个焊接二级电路；

一个电气致动的致动器，可操作地联接到所述焊枪上，用来把所述电极移动到所述预定范围内的多个电极分离距离中的任意一个；

一个基于电阻的力控制器，按照预定标准控制所述致动器，所述预定标准包括由所述基于电阻的力控制器产生的一个信号。

14.根据权利要求13所述的改进焊枪组件，其中所述基于电阻的力控制器包括至少四根引线，两根激励引线如此布置，从而他们在安装工件的相对侧，而两根测量引线如此布置，从而他们在安装工件的相对侧，所述基于电阻的力控制器借助于所述激励引线的每一根通过经所述二级电路施加电流而选择性地激励所述二级电路，并且借助于所述测量引线的每一根而选择性地测量一个电阻。

15.根据权利要求14所述的改进焊枪组件，其中所述力控制器激励所述二级电路，并且在所述电极接触所述工件之前测量所述二级电路的电阻。

16.根据权利要求15所述的改进焊枪组件，其中所述力控制器激励所述二级电路，并且在所述致动器把预定力施加到所述工件上之后测量总电阻。

17.根据权利要求16所述的改进焊枪组件，其中借助于所述总电阻和所述二级电路的所述电阻来计算所述工件电流通路的电阻。

18.根据权利要求13所述的改进焊枪组件，其中所述组件没有独立的外部冷却系统。

19.一种在带有闭环冷却剂系统的电焊系统中使用的改进焊枪组件，包括：

一根冷却剂管线；

至少一个单向阀，布置在所述冷却剂管线内；

一种高传导性的冷却剂，包括在所述冷却剂管线内；

一个大焊接电流热源；

一个热交换器，借助于所述冷却剂管线连接到所述热源上；及

一个机械、非电气冷却剂泵。

20.根据权利要求19所述的改进焊枪组件，所述冷却剂泵包括带有一个机械操作活塞的缸，所述活塞在所述缸中响应焊接电极分离距离的变化而运动，以便这样循环所述冷却剂，以致于所述冷却剂从所述热源拾取热量，并且把所述热量的至少一部分经所述热交换器释放。

21.根据权利要求19所述的改进焊枪组件，其中所述组件包括：一个焊枪，带有至少一个其上安装焊接电极的旋转臂；和一个固定到所述活塞上的机械连杆，所述连杆的第一端可旋转地固定到所述旋转臂上，而第二端可旋转地安装到所述活塞上。

22.根据权利要求21所述的改进焊枪组件，其中所述旋转臂绕一个旋转点旋转，所述连杆的中间部分可旋转地固定到所述旋转点上。

23.根据权利要求20所述的改进焊枪组件，其中所述闭环系统包括一条处在所述缸的一端与所述缸的第二端之间的第一冷却剂通路，当所述活塞从所述缸的所述第一端运动到所述第二端时，一个第一单向阀允许所述冷却剂从所述第二端运动到所述第一端。

24.根据权利要求23所述的改进焊枪组件，其中所述闭环系统包括一条处在所述热源与所述缸的所述第一端之间的第二冷却剂通路、和一条处在所述热源与所述热交换器之间的第三冷却剂通路。

25.根据权利要求24所述的改进焊枪组件，其中一个第二单向阀布置在所述第二和第三冷却剂通路之一中，以便仅允许所述冷却剂经由所述热源仅从所述缸的所述第一端流到所述热交换器。

26.根据权利要求25所述的改进焊枪组件，其中一条第四冷却剂通路布置在所述热交换器与所述缸的所述第二端之间，一个第三单向阀布置在所述第四冷却剂通路中，并且仅允许所述冷却剂在所述热交换器与所述第二端之间流动。

27.根据权利要求19所述的改进焊枪组件，所述组件进一步包括：

一个可运动致动器，所述致动器的一端选择性地可在一个停止位置与一个致动位置之间运动，当所述致动器从一个停止位置运动到一个致动位置时，所述闭环系统旁通所述热源和所述热交换器。

28.根据权利要求19所述的改进焊枪组件，其中所述冷却剂泵包括一个弹性皮囊。

29.根据权利要求28所述的改进焊枪组件，其中第一单向阀布置在所述热源与所述皮囊之间的所述冷却剂管线中；及一个第二单向阀布置在所述热源与所述热交换器之间的所述冷却剂管线内，当把热量添加到所述热源时，所述膨胀冷却剂从所述热源经所述第一单向阀流到所述皮囊，并且选择性地流到所述热交换器。

30.根据权利要求29所述的改进焊枪组件，其中所述皮囊克服偏移膨胀，以容纳来自所述膨胀冷却剂的增大体积，当所述冷却剂膨胀结束时，所述第一单向阀选择性地关闭，并且所述第二单向阀选择性地打开，以便随着皮囊返回其原始外形，在来自所述皮囊的力作用下重新供给冷却剂。

31.根据权利要求30所述的改进焊枪组件，其中所述热源是所述组件的电极和所述变压器之一。

32.根据权利要求31所述的改进焊枪组件，其中所述冷却剂在膨胀热状态下是蒸气状的，而在冷却状态下是流体状的。

33.一种用来向金属工件提供改进焊接的方法，包括步骤：

当相对电极不与工件接触时，通过一个焊接二级电路测量第一电阻；

通过所述焊接二级电路测量第二电阻，所述电路与接触所述工件的所述电极并联；及

至少计算工件的电阻。

34.根据权利要求33所述的方法，还包括如下步骤：

把所述计算电阻与预定标准相比较，所述预定标准包括在所述计算电阻与所述工件上的电极力之间的关系；及

调节所述工件上的电极力，并且重新计算所述计算电阻，直到满足所述预定标准。

35.根据权利要求34所述的方法，还包括如下步骤：通过经所述焊接电路测量第三电阻校准所述预定标准，以确定所述电极的状态，所述焊接电路与彼此直接接触的所述电极并联。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括如下步骤：产生用于末端修整的请求。

37.根据权利要求34所述的方法，还包括如下步骤：把电流施加到所述焊接二级电路上，并且同时测量所述第一电阻。

38.根据权利要求37所述的方法，还包括如下步骤：把电流施加到所述焊接二级电路和工件上，并且同时测量所述第二电阻。

39.根据权利要求38所述的方法，还包括如下步骤：电气隔离一个在实际焊接操作期间用于所述第一和第二电阻的所述测量的基于电阻的力控制器。

40.一种借助于一个热交换器冷却在电焊系统中使用的改进焊枪组件的大电流元件的方法，包括如下步骤：

把一个机械、非电气冷却剂泵连接到一个用来提供焊接电极分离距离变化的致动器上；及

借助于所述泵响应所述致动器的运动，在焊接电流热源与热交换器之间循环一种高传导性冷却剂。

41.根据权利要求40所述的方法，所述泵和所述致动器中的至少一个包括一个可在一个缸中运动的活塞。

42.一种借助于一个热交换器冷却在电焊系统中使用的改进焊枪组件的大电流元件的方法，包括如下步骤：

在所述焊接电流热源与热交换器之间的一根闭环冷却剂管线内循环一种高传导性冷却剂；

所述冷却剂在添加热量时膨胀，而在除去热量时收缩；

把加热的冷却剂存储在一个弹性皮囊内，所述皮囊以原始非偏移外形膨胀，以容纳来自所述膨胀冷却剂的增大体积；及

通过强迫所述冷却剂穿过所述冷却剂管线，使所述皮囊返回所述原始非偏移外形，从而所述皮囊起循环所述冷却剂的机械、非电气冷却剂泵的作用。

43.一种改进的焊枪组件，包括：

诸电极臂，所述臂中的至少一个包括多个沿外表面的多个肋之一，诸肋限定在其间的通道和一个在所述臂内的开口，用于增大所述臂的总外表面面积，从而通过自然对流改进热消散。

44.根据权利要求43所述的改进焊枪组件，其中所述臂包括所述肋和所述通道、及所述开口。

45.根据权利要求43所述的改进焊枪组件，其中所述电极臂中的每一个一般带有相等的质量，以提供热平衡。

46.根据权利要求45所述的改进焊枪组件，其中相邻于适合保持电极的容器使每一个臂的所述质量最大。

47.根据权利要求43所述的改进焊枪组件，其中所述肋和所述开口竖直延伸。

48.一种包括相对电极臂的改进焊枪组件，所述臂中的每一个包括多个一般沿外表面竖直延伸的肋，该肋在其间限定通道，以通过自然对流改进热消散，并且其中所述电极臂中的每一个一般具有相等的质量，以提供热平衡，相邻于适合保持配对电极的容器使所述质量外表面面积最大。

49.一种改进焊枪组件，仅依赖于电极臂材料传导和来自所述电极臂外表面的自然对流来冷却所述焊枪组件，所述焊枪组件使电极臂质量、和在相邻于适合保持配对电极的容器的区域中的外表面面积最大。

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