CN1274630A - 熔接处理方法 - Google Patents

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Abstract

在组成总供电时间的若干个供电时段的奇数供电时段内,控制单元42只使第一组开关单元(24,28)以逆变器频率进行连续的转换操作,而使第二组开关单元(26,30)保持在OFF状态。在偶数供电时段内,控制单元42只使第二组开关单元(26,30)以逆变器频率进行连续的转换操作,而使第一组开关单元(24、28)保持在OFF状态。结果供电装置的次级电路使具有大体上梯形的电流波形的次级电流i2,即熔接电流I,在奇数供电时段内沿着正方向流动,在偶数供电时段内沿着负方向流动。

Description

熔接处理方法
本发明涉及利用焦耳热和压力以便压接工件的熔接处理方法。
一种示范性的熔接工艺显示在图3A-3C中。这种工艺提供了包线10和由例如铜或铜合金制成的条状接头12之间的电和物理连接。
首先参考图3A，工件插在一对(例如，上部和下部)电极14和16之间，工件由接头12和被接头12的钩状部分或弯曲部分12a环绕的包线10组成。接头钩状部分12a的下表面由固定位置上的下电极16支承着，以及上电极14紧靠在接头钩状部分12a的上表面上，使得图中未显示的压力设备用预定的压力F向下压上电极14。同时，预定的电压由图中未显示的供电装置供应给两个电极14和16。
然后，电流I首先流过为这对电极14和16提供电路的接头钩状部分12a，在接头钩状部分12a中产生焦耳热。由此产生的结果是，包线10的绝缘层10a被焦耳热熔化，剥离成如图3B所示的导线10b。
一旦绝缘层10a被除去，使得电流流过图3c所示的两个相向电极14和16之间的包线10的导线10b(通常由铜制成)。同样在供电时间内，压力F仍然继续施加在两个电极14和16上，因而焦耳热和压力F共同作用，使接头的钩状部分12a和包线的导线10b被整个压焊接在一起或被压扁弯接在一起。这样能够使包线10和接头12用刚接方法电和物理连接在一起。由于包线10的导线10b和接头12的电阻极小，因此在两者之间不会生成熔核。
图6显示了单相AC(交流)供电装置的电路构造，迄今为止，这种装置已经应用于如上所述的熔接工艺中。图7显示了从供电装置发送的电压和电流的波形。
在这种供电装置中，馈入到输入端100和102的工业频率的单相AC电压V通过由一对晶闸管104和106组成的接触器施加到降压变压器108的初级线圈上。在变压器108的次级线圈上产生的AC感应电动势(次级电压)通过次级导线和电极14和16施加到工件W(10，12)上，以便使其电流值比初级线圈i1的电流值大的次级电流i2作为熔接电流I流过次级电路。
熔接电流I(i2)的幅度(有效值)是依导通角而定的。由于在起通角与导通角之间存在着大体固定的关系，因此，可以说成幅度依赖于起通角。这个供电装置通过起通电路112提供了对半导体开关元件104和106的起通角(起通定时)θ的控制，从而控制熔接电流I(i2)的有效值。
图8显示为迄今为止已经应用于熔接工艺中的DC逆变器供电装置的构造。图9A和9B描绘了从供电装置输出的电压和电流的波形。
这个供电装置由逆变器电路120组成，DC电压E由图中未显示的整流电路以预定的电压电平施加到逆变器电路120中。逆变器电路120包括开关单元，和用来响应来自逆变器控制单元128的控制脉冲CP以高频开关斩波DC输入电压E的方式发出高频AC脉冲。从逆变器电路120输出的AC脉冲馈入到降压变压器122的初级线圈中，以便在次级线圈中获得与初级方类似的AC脉冲。次级脉冲交变电流由由一对二极管124a和124b组成的整流电路126转换成直流电流，次级直流电流i2作为熔接电流I通过电极14和16馈送到工件W(10，12)。
在这种利用单相AC供电装置的传统熔接处理方法中，有效供电时间(电流实际流过的时间)占总供电时间的比例很小，使得如果希望为熔接工艺供应足够的热能，就需要在每个供电周期中升高电流峰值。但是，电流峰值的升高势必引起工件中产生的焦耳热的瞬时峰值的升高，这样的话，工件W可能会受到热冲击从而可能引起不希望有的畸变或损害。在图3A-3C所示的例子中，刚好在开始供电(即，在图3A所示的阶段)之后，由于热冲击，接头12的钩状部分12a的弯曲可能马上在其顶部附近引起破裂。另一方面，在利用DC逆变器供电装置的传统熔接处理方法中，有效供电时间所占的比例很大，其热产生效率很高，使得即使在相对低的电流峰值上也有足够的热能可以供应给工件，从而任何热冲击都可以得到抑制。但是，这种方法也存在着问题，由于熔接电流I在两个电极之间只能沿同一方向(极性)流动，产生的热量由于在电极14、16和工件W之间出现的珀尔帖效应会随着位置的不同而不同，于是，在电极端点上的畸变和磨损易于集中在一个电极中(通常在正端的电极14中)，这样会导致繁重的保养和成本的升高。
本发明是在考虑到上面问题之后构想出来的。因此，本发明的目的是提供一种能够防止对工件的任何热冲击以提高工艺质量和能够均衡电极的磨损和老化以改善保养(可使用性、成本)的熔接处理方法。
根据本发明的一个方面，为了达到上面目的，本发明提供了其中在电流通过一对电极流到工件中产生焦耳热的同时该对电极紧压在工件上的熔接工件的方法，该方法包括如下步骤：通过整流电路将工业频率的AC电压转换成DC电压；通过逆变器将从整流电路输出的DC电压转换成高频脉冲电压；让逆变器输出高频脉冲电压通过变压器，无需在变压器的次级端进行任何整流，通过这对电极将其施加到工件上；和将一次熔接处理所用的供电时间分段成若干个供电时段，在奇数供电时段内从逆变器输出只有一个极性的高频脉冲，而在偶数供电时段内从逆变器输出另一个极性的高频脉冲。
在本发明的熔接处理方法中，在每个供电时段内逆变器都让高频波形控制电流在两个电极之间流动，从而有可能获得高的热产生效率，因此即使在相对低的电流峰值的情况下也能将足够的热能供应给工件。这样就防止了工件受到任何热冲击，能够获得稳定的熔接质量。此外，在供电时间内在两个电极之间流动的电流的极性(方向)在每个供电时段内被倒相一次，使得在电极和工件之间出现的珀尔帖效应相互抵消或均衡化，所产生的能量也均匀分布，从而防止了在电极端点上的畸变和磨损只集中在一个电极上，确保熔接处理的圆满完成。
图形简述
通过结合附图对本发明进行如下详细描述，本发明的上面和其它目的、观点、特征和优点将更加显而易见。
图1是显示应用于根据本发明实施例的熔接处理方法之中的供电装置的电路构造的电路图；
图2A和2B是分别显示此实施例的供电装置的电压和电流波形的示意图；
图3A-3C通过例子说明熔接处理过程；
图4是显示本实施例的另一个熔接处理例子的侧视图；
图5A和5B是显示在图4所示的熔接处理中主要部分的局部截面图；
图6是显示迄今为止已经应用于熔接处理的单相AC供电装置的电路构造的电路图；
图7显示了图6所示的供电装置的电压和电流波形；
图8是显示迄今为止已经应用于熔接处理的DC逆变器供电装置的电路构造的电路图；和
图9A和9B是显示图8所示的供电装置的电压和电流波形的示意图。
现在参考图示本发明一个实施例的图1、图2A和2B和图3A-3C对本发明进行说明。
图1显示了用来实现根据本发明的熔接处理方法的供电装置的电路构造。
供电装置包括由22笼统表示的逆变器，逆变器包括四个GTR(超大晶体管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)形式的晶体管开关单元24、26、28和30。在这四个开关单元24-30中，第一组(正方)开关单元24和28响应于来自驱动电路32的第一逆变器控制信号Fa在某一时间上受到以预定逆变器频率(例如，10kHz)的开关(开/关)控制，而第二组(负方)开关单元26和30响应于来自驱动电路32的第二逆变器控制信号Fb在某一时间上受到以逆变器频率的开关控制。
逆变器22含有与整流电路20的输出端相连接的输入端(La、Lb)和与降压变压器34的初级线圈的两端相连接的输出端(Ma、Mb)。没有任何整流电路插入，只通过次级导线与变压器34的次级线圈的两端相连接的是一对电极，例如，从图3中看得很清楚的上和下电极14和16。两个电极14和16处在相互分开的位置上(例如，面对面)，并通过来自压力设备36的压力与工件W(10和12)发生压力接触。
整流电路20是由，例如，六(6)个二极管组成的三相整流器，这些二极管相互连接形成三相电桥。整流电路20将来自三相AC供电端口(U、V、W)的工业频率的三相AC电压转换成DC电压。从整流电路20输出的DC电压通过滤波电容21馈入逆变器22，以，例如，电流变换器形式的电流传感器38安装在在逆变器22的输出端和变压器34的初级线圈之间延伸的导线上。在用于熔接处理的电流供应期间，电流传感器38发出表示初级电流i1的瞬时值的电流检测信号<I1>，初级电流i1具有与流过次级电路的次级电流i2(熔接电流I)相类似的波形。对于逆变器的每个开关周期，电流测量电路40根据来自电流传感器38的电流检测信号<I1>计算出电流i1的有效值或平均值作为电流测量值[I1]，并将由此获得的电流测量值[I1]馈送到控制单元42。
控制单元42由包括CPU、ROM(程序存储器)、RAM(数据存储器)、时钟电路和接口电路的微处理机组成，以提供在装置中实行的所有控制，例如，熔接处理中的压力控制和电流控制、和它们的顺序控制、设置输入的管理和与关于各种条件的设置值有关的登记，并输出测量值和判断值等的控制。在本实施例中，熔接处理是根据来自图中未显示的外部装置的起始信号ST来初始化的。
输入单元44由诸如键盘和鼠标之类的输入设备组成，应用在设置熔接处理的各种条件的输入之中。在本实施例中设置和输入的主要条件包括供电时间TG、供电时段TA、和用于恒稳电流控制的电流值IC。
在这些熔接条件中，供电时间TG是从开始供应熔接电流到终止供应熔接电流的总供电时间，它可以定义为等于半周期供电时段TA的整数倍或偶数倍的周期数。供电时段TA是逆变器在正方或负方以连续不断的方式进行转换操作的单个独立的供电间隔，它可以定义为与工业频率(例如，50Hz或60Hz)下的半周期相对应的时间间隔。用于恒稳电流控制的电流值IC是一个参考值，当在每个供电时段TA内电流升高之后进行恒稳电流控制时使用此值。
然后，对本实施例的操作功能进行说明。图3所示的熔接处理是通过实例来说明的。
如图3A所示，此实施例也使工件W插在上电极14和下电极16之间，工件W由接头12和位于接头12的钩状部分12a之内的包线10组成。下电极16在固定位置上支承着接头钩状部分12a的下表面，而同时上电极14紧靠在接头钩状部分12a的上表面上，使得压力设备36可以利用预定的压力F向下压工件W。与此同时，对电流供应进行初始化。
在本实施例中，供电装置的控制单元42提供了供电顺序控制。正如从图2A和2B所明显看到的，在组成总供电时间TG的若干个供电时段TA的奇数供电时段TAO中，控制单元42使第一组(正方)开关单元(24、28)以逆变器频率进行连续的转换操作，而使第二组(负方)开关单元(26，30)保持在OFF状态。在偶数供电时段TAE中，控制单元42使第二组(负方)开关单元(26，30)以逆变器频率进行连续的转换操作，而使第一组(正方)开关单元(24、28)保持在OFF状态。
结果，供电装置的次级电路使具有大体上梯形的电流波形的次级电流i2，即熔接电流I，在奇数供电时段TAO内沿着正方向流动，而在偶数供电时段TAE内沿着负方向流动。控制单元42将来自电流测量电路40的电流测量值[I1]用作反馈信号，通过，例如，PWM(脉宽调制)控制使梯形电流波形的上边上的电流值与设置值IC相一致。
因此，在每个供电时段TA中，具有梯形电流波形的熔接电流I在电极14和16之间流动，由此取便更高的加热效率，致使即使在相对低的电流峰值IC的情况下也能将足够的热能供应给工件W。由于这个原因，在防止在工件W，尤其在接头钩状部分12a上的任何热冲击发生的同时，可以产生足够熔化包线10的绝缘层10a的焦耳热。
同样，在本实施例中，在除去绝缘层10a之后，电流I通过图3C所示的包线10的导线10b在两个电极14和16之间流动，在接头12和包线10两者中产生焦耳热。这个焦耳热和来自压力设备36的压力F共同作用使接头钩状部分12a和包线导线10b被整个压焊接在一起或被压扁弯接在一起。
在经过总供电时间TG之后，控制单元42使逆变器22处在完全停止状态以终止电流供应，并在预定时间上，取消压力设备36所施加的压力F。
举例来说，本发明的熔接处理方法适用于将如图4和图5A和5B所示的DC电机的电枢绕组和换向器焊接在一起。组成电枢绕组的绝缘线圈的末端54i和54j被接纳在牢固地固定在电机转轴50上的换向器52的每个孔楔中的小孔60a中，加压和供电是通过电极14和16来完成的。在刚开始供电时，电流I并不流过线圈末端54i和54j，而是旁通小孔60a，这是因为线圈末端54i和54被绝缘层包着。接着，由于焦耳热效应，电极14和小孔60a产生热量，致使总热量熔化了线圈末端54i和54j的绝缘包层使线圈导线裸露出来。此后，电流I可以流过线圈末端54i和54j的线圈导线，使线圈末端54i和54j产生由焦耳热效应引起的热量。由此产生热量的线圈末端54i和54j在来自压力设备36的压力的作用下熔接成如图5A和5B所示的样子，被压接成接头部分60。
由于本实施例使在供电时间TG期间在两个电极14和16之间流动的溶合电流I的极性(方向)在某个周期(TA)上倒相，在电极14、16和工件W之间出现的珀尔帖效应相互抵消或被均衡化，防止了电极端点上畸变或磨损只局域在一端上，从而减少了电极14和16的替换或保养次数。此外，由于除了不存在如上所述的热冲击之外，在电极端点上的畸变或磨损程度较轻，因此，熔接处理的稳定性得到保证并取得提高了的工艺质量。
尽管在上面的实施例中，工业频率的三相交变电流被转换成供应给逆变器22的直流电流，工业频率的单相交变电流也可以转换成直流电流。逆变器22的电路构造只不过是一个例子，各种改进型式都是可能的。在各个供电时段TA内的电流波形并不限于如上面实施例那样的梯形波形，而是任何任意的电流波形都可以通过，例如，PWM控制来提供。图3A-3C所示的熔接处理也只不过是一个例子，本发明可以适用于其它各种熔接处理。
如上所述，根据本发明的熔接处理方法，可能施加到工件上的任何热冲击得到了防止，提高了工艺质量，和电极的磨损和老化被均衡化，改善了保养。

Claims (1)

1.一种熔接工件的方法，其中一对电极使电流流过工件产生焦耳热的同时该对电极被紧压在所述工件上，所述方法包括如下步骤：
通过整流电路将工业频率的AC电压转换成DC电压；
通过逆变器将从所述整流电路输出的所述DC电压转换成高频的脉冲电压；
让所述逆变器输出的所述高频脉冲电压通过变压器，和无需在所述变压器的次级端进行任何整流，使其通过所述该对电极，最后施加到所述工件上；和
将一次熔接处理所用的供电时间分段成若干个供电时段，在奇数供电时段内从所述逆变器输出只有一个极性的所述高频脉冲，而在偶数供电时段内从所述逆变器输出另一个极性的所述高频脉冲。
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