CN1365869A - 金属构件接合方法和交流波形变换器式电源装置 - Google Patents

金属构件接合方法和交流波形变换器式电源装置 Download PDF

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Abstract

控制部以变换器周波的单位通电循环为基本周期控制峰值或限幅,以便使通过通电时间(WE)在电源部流过的一次电流或二次电流与单位通电期间(T)的极性无关地模仿基准波形(SI)。通过这样的通电控制使例如在上升斜率期间(Up)的一次电源和焊接电流(Iw)的峰值或振幅与单位通电期间T的极性无关地逐渐增加,并且即在上升斜率期间结束时也能从上升斜率部分(Siup)平滑地转移到恒定部分上。可以使斜率控制的自由度和精度提高,并可以根据各种金属构成的特性的不同,使斜率控制最优化。

Description

金属构件接合方法和交流波形 变换器式电源装置
                        技术领域
本发明涉及利用通电使金属构件接合的技术，特别是涉及使变压器二次侧流过交流电流进行通电的交流波形变换器式的电源装置和金属构件接合方法。
                        背景技术
目前，交流波形变换器式的电源装置作为使用在电阻焊接等上的电源装置正在普及。交流波形变换器式电源装置既具有在焊接变压器的二次侧流过直流焊接电流的直流变换器式的优点(发热效率高)，又具有能消除直流变换器式的缺点(电极劣化和剩磁)等优点。
可是，到目前为止，在电阻焊接领域一直采用为了防止通电开始后立即发生飞溅而使焊接电流值逐渐增加的上升斜率控制(波前控制)和为了防止在通电结束前因急冷引起的裂纹等内部缺陷而逐渐减少焊接电流值的下降斜率控制(波尾控制)。
图6表示在使用过去的交流波形变换器式电源装置时的上升斜率控制，在过去的装置中具有把二次侧交流波形的半周t作为一个单位通电期间，作为该周期的t的整数倍nt(在图6的例中n＝4)设定上升斜率期间up的构成。并且在上升斜率期间up中，在各通电期间t的周期进行使电流值步进上升的通电控制，下降斜率控制的设定功能，控制功能的组合方式与上升斜率控制相同，只是电流值的变化方式(增加·减少)不同。
可是，在过去的交流波形变换器式电源装置中，因为斜率的设定内和通电控制被限制在交流波形的半个循环的周期内，所以斜率控制的自由度和精度受到限制，存在合适地对应今日的各种各样被加工件的特性相对应(即获得作为目的效果)困难的问题。
                          发明内容
本发明是鉴于上述现有技术的问题而提出的，以提供能提高斜率控制的自由度和精密度并通过与各种各样金属构件的特性配合使斜率控制通电最优化的金属构件接合方法和交流波形变换器式电源装置为目的。
为了达到上述目的，本发明的金属构件的接合方法，是边使电极与由金属构件构成的被加工件加压接触一边使电流流过接合上述被加工件的方法包括通过整流电路使商用频率的交流电压变换成直流电压；通过交换器使由上述整流电路输出的直流电压变换成高频脉冲电压；使上述变换器输出的上述高频脉冲电压通过变压器并由上述变压器的二次侧不经整流而通过上述电极加在上述被加工件上；把一次通电时间分割成多个通电时间，在奇数号的通电期间使高频脉冲按上述变换器的一个极性输出，而在偶数号通电期间按上述变换器的另一极性输出；在预定设计的上升斜率期间或下降斜率期间，使上述变压器的一次侧或二次侧流过的电流的峰值或振幅在每个上述高频的单位通电循环内与通电的极性无关地与预定的斜波波形的基准电流值几乎一致。
本发明的金属构件接合用的交流波形变换器式电源装置包括：使商用频率的交流电压变换成直流电压的整流电路；把上述整流电路输出的直流电压变换成高频脉冲电压的变换器；变压器，所述变压器的一次侧线圈与上述变换器的输出端子电连接，二次侧线圈与用于接合由金属构件构成的被加工件的电极不经过整流电路而电连接；使一次通电时间分割设定成多个通电期间的通电时间设定单元；设定包含上升斜率部分或下降斜率部分的所希望的基准电流波形的电流设定单元；控制上述变换器的开关动作的控制单元，所述控制单元在上述通电时间的通电过程中，在分割的多个通电期间中的奇数号的各通电期间使上述高频脉冲按上述变换器的一个极性输出，在上述偶数次各通电期间使上述高频脉冲按上述交换器的另一个极性输出；使上述变压器的一次侧或二次侧中流过电流的峰值在每个上述高频的单位通电循环内与上述基准电流波形几乎一致。
按照本发明，变换器以下述方式进行切换开关动作：在上升斜率期间或下降斜率期间，在变压器的一次倒流过电流的峰值或振幅按变换器周波的单位通电循环的节距模仿基准电流波形的上升斜率或下降斜率部分。借此，可以不受通电期间即交流波形循环的周期的限制，自由地设定斜率特性(期间、斜率)，以单位通电循环的节距进行精细地斜率控制。
在本发明的交流波形变换器式电源装置中，为了能自由并精细地设定斜率期间，最好是，上述电源设定单元具有用于按时间单位设定上述上升斜率部分或下降斜率部分的持续时间的单元。
另外，为了能简便地设定所希望的上升斜率部分或下降斜率部分，最好是，上述电流设定单元具有：用于设定上述基准电流波形的恒定电流值的恒定电流值设定单元；和根据由上述恒定电流值设定单元给出的恒定电流值和由上述斜率时间设定单元给出的斜率持续时间计算上述上升斜率部分或下降斜率部分的波形的斜波波形设定部。
另外，为了进行电流电流反馈方式的斜率控制通电，最好是，上述控制单元具有：测定上述变压器的一次侧或二次侧中流过的电流的电流测定单元；给出规定上述变换器的单位通电周期的时钟信号的时钟电路；和变换器控制单元，所述变换器控制单元通过与上述时钟信号同步并在上述单位通电周期的开始点使上述变换器按在该通电期间选择的极性接通，在由上述电流测定单元获得的电流测定值信号达到来自上述电流设定单元的上述基准电流波形的电流值时点或上述单位通电周期的终点时使变换器断开。
按照该构成，即使在上升斜率期间或下降斜率期间也能以变换器的循环单位通电循环的节距进行高速且精密的电流限幅值控制。
在该电流限幅控制中，为在变换器周波的每个单位通电循环中获得由脉冲波形发生的电流测定值，最好是，上述电流测定单元具有在上述变压器的一次侧电路上的上述整流电路上用于检测流过输出端子与上述变换器的输入端子之间的导体的一次电流的电流检测器。
                        附图说明
图1是表示本发明一实施方式的交流变换器式电源装置构成图。
图2是表示实施方式电源装置的主要部分的构成图。
图3是表示实施方式的电源装置中的斜率控制作用的各部分信号的波形图。
图4是表示在实施方式电源装置中的斜率控制作用的各部分的信号的波形图。
图5是表示一实施方式中的熔融加工一例的图。
图6是表示现有技术的交流变换器式电源装置的斜率控制方法的图。
                     具体实施方式
下面参照图1～图5说明本发明优选的实施方式。
图1表示本发明的实施方式的电阻焊接用交流波形变换器式电源装置的构成。
该电源装置的电源部10具有三相整流电路14、变换器16和降压变压器18。三相整流电路14把例如六个二极管连接成三相桥，把由三相交流电源端子12输入的商用频率的三相交流电压(R、S、T)经全波整流变换成直流电压。从三相整流电路14输出的直流电压在经电容器20滤波后供给变换器16的输入端(La、Lb)。
变换器16具有由GTR(大功率晶体管)或IGBT(绝缘栅双极晶极管)等组成的四个晶体管开关元件22、24、26和28。
这四个开关元件22～28中，第一组(正极侧)的开关元件22、26按能完成下述功能构成：通过驱动电路30以由来自控制部32的同相的变换器控制信号G1、G3确定的变换器频率(例如4KHz)同时被切换(导通、截止)控制，而第二组(负极侧)的开关元件24、28按能完成下述功能构成：通过驱动电路30以由来自控制部32的同相变换器控制信号G2、G4的上述变换器的频率同时被切换控制。
变换器16的输出端(Ma、Mb)分别与变压器一次侧线圈的两端电连接。电阻焊接用的一对电极34、36不通过整流电路只通过二次侧导体38分别连接在变压器18的二次侧线圈的两端上。
电极34、36由导热率高的金属例如铜合金组成，并可拆装地安装在加压装置40的电极支持构件42、44上。加压装置40具有例如具有气缸的加压驱动部(图中未示出)，并且具有能完成下述功能的构成：根据来自控制部32的加压控制信号FC驱动例如上部电极支持构件42，通过从上方顶压加压在安装在下部电极36上的工件W(46、48)上。
该电源装置的控制部32由微型计算机构成，包括CPU、ROM(程序存储器)、RAM(数据存储器)、接口电路等，除了进行电源装置内的一切控制例如通电控制(特别是变换器控制)和各种焊接条件的设定乃至显示处理等外，还对加压装置40和其它外部相关装置进行所需要的控制。
时钟电路50把规定用于变换器16的切换控制的基本的或单位循环tc的时钟信号CK供给控制部32。输入部52包括设置在该电源装置的操作面板(图中未示出)上的键板或键开关组，它们用于电阻焊接用的各种条件的设定。显示部54包括设置在操作面板上的显示器例如液晶显示器在控制部32的控制下显示各种条件的设定值和测定值等。
在该电源装置中，为了进行电流反馈方式控制，而在电源部10的一次侧的整流电流电路14与变换器16之间(在图1的构成例中的电容器20与变换器16之间)的导体上安装例如电流互感器组成的电流检测器56，电流测定电路58根据该电流检测器56的输出信号求出在变换器16输入侧流过的一次电流11的测定值作为电流测定信号M1，将该电流测定信号M1供给控制部32。
在图2中，示出了该实施方式中的控制部32的主要构成。基准电流波形设定部60包括：根据计算求出所希望的电流波形进行数据化的计算部、保持基准电流波形数据的存储部。在基准电流波形设定部60的计算部中，根据作为从输入部52作为所希望的设定值输入的通电时间WE、恒定电流值Is、上升斜率期间UP和下降斜率期间DW计算基准电流波形SI。
在此，通电时间WE通常是把二次侧交流循环的半周期作为基本单位时间，也可以把通电时间WE设定为该单位通电时间T的整数倍nT。或者也可以在输入部52中以时间单位(例如ms)输入单位时间WE，在控制部32中把以该时间的单位输入的通电时间WE设定(变换)为基本单位通电时间T或补正的单位通电时间T的整数倍。上升斜率期间WP在下降斜率期间DW不受单位通电期间T(T)的周期或时段的限制，也可以用时间单位任意设定。
在进行上升斜率控制时，如图3(A)所示，在基准电流波形S1中设乘以与恒定电流值Is成比例的常数K后的值KIs为初始电流值，则可计算在上升斜率期间UP中，在从该初始电流值KIs达到恒定电流值时使焊接电流Iw的电流值直线增加的部分或区间作为上升斜率部SIup。在此初始电流值KIs是以用于使电流的上升前沿平滑的控制电路的要求为基础，所以通过设定为比零大的值。
在进行下降斜率控制时，虽然图中省略，但在基准电流波形中把在下降斜率期间DW中从恒定电流值Is到达终端电流值JIs(J是常数，也可以为零)时的焊接电流Iw的电流值线性减少的部分或区间作为下降斜率部分SIDW。
上述的上升斜率部分SIup或下降斜率部分SIDW的设定法具有所谓用户侧的输入作业和装置侧的计算简便的优点，可是该设定法也可以能一边在显示部54上显示基准电流波形SI，一边从用户侧设定更自由的波形(例如使斜率分变为所希望的曲线的波形)。
在图2中基准电流波形60在各单位时间内与来自时钟电路50(图1)的时钟信号CK同步，将基准电流波形SI的数据变成数字信号输出。该基准电流波形SI的数字信号在由数-模(D/A)变换器62变换成模拟信号后在比较器64中与来自电流检测电路58的电流测定信号MI比较。比较器64把电流测定信号MI(图1)达到基准电流波形SI的值时或超过时输出信号CO作为逻辑值“1”。
变换器控制信号66生成部CK与时钟信号同步，在单位通电循环tc的始点使变换器16按在相应单位通电时间选择的极性接通，为了在比较器64的输出信号CO从例如从L电平转换成H电平的始点或在单位通电循环tc的终点使变换器16截止而生成变换器控制信号G(G1、G3或G2、G4)输出给驱动电路30。另外，为了防止变换器16内的短路，也可以把单位通电循环tc的终点设定为比时钟信号CK的一个循环的终点稍微提前一些。
下面说明图3和图4的实施方式中的交流波形变换器式电源装置的作用。
控制部32当从焊接机械手等外部装置输入规定起动信号ST时，就响应该起动信号ST执行焊接程序。当焊接程序开始进行时，首先通过把加压控制信号传送给加压装置40，使加压动作开始。加压装置40使上部电极支持部件42下降，通过把上部电极34压在安装在下部电极36上的待焊接工件(46、48)W上进行加压。在该加压力达到规定值时，即从加压动作开始经过初始加压时间后，在电源部10中开始通过切换控制变换器16使设定通电时间WE的通电开始。
控制部32利用上述那样的通电控制功能(图2)为了使通过通电时间WE流过电源部10的一次电流I1进而二次电流I2与单位通电期间T的极性无关地模拟标准电流波形SI，而把变换器周波的单位通电循环tc作为基本周期进行峰值控制或限幅控制。
具体地说，如图4所示，为了在由时钟信号CK规定的各单位通电循环tc的始点使由相应单位通电时间T选择的极板的开关元件导通而使相应的变换器控制信号G变成有效的H电平。例如为了在正极性的单位通电期间T使正极性的开关元件22、26切换导通而使变换器控制信号G1、G3变成H电平。
这样一来，在一次侧电路中(确切地说在安装有电流检测器56的变换器16的输入侧)在相应单位通电期间选择的极性(方向)一次电流I1急剧增大地流动。该一次电流I1的电流值(瞬时值)被电流检测器56和电流检测电路58测定，作为电流检测信号M1反馈给控制部32(具体地说是比较器64)。
另外，在控制部32内由基准电流波形设定部60供给用于相应单位通电循环tc的基准电流波形SI的值SIi，在电流检测信号M1达到该基准电流值Si的时刻或在变成如同没达到相应单位循环tc终点那样的时刻，变换器控制信号生成部66使变换器控制信号G变成非有效的L电平，使相应开关元件(22、26或24、28)变成截止状态。
这样一来，边使基准电流波形每隔单位通电循环tc更新，边使上述那样的电流限幅方式的变换器切换控制重复进行。借此在一次侧电路中(确切地说在安装有电流检测器56的变换器16的输入侧)如图所示，以使电流峰值模拟成基准电流波形SI(SIn、SIn+1、SIn+2......)的方式流过脉波形的一次电流I1。另外，在二次侧电路中，如图3所示，以使电流振幅值模拟成基准电流波形SI的方式流过连续波形的二次电流I2即焊接电流Iw。
可是在上升斜率期间Up中如图3(A)和图4所示，一次电流I1和焊接电流Iw的峰值或振幅与单位通电时间T的极性无关地逐渐增加。并且即使在某个单位通电期间的途中上升斜率期间Up结束的情况下，一次电流I1和焊接电流Iw的峰值或振幅如图3(B)和图4所示，也能从上升斜率部分SIup平滑地转移到恒定部分。虽然图中省略示出，但在某个通电期间的途中下降斜率期间DW开始的情况下也能从恒定部分平滑地转移到下降斜率部SIDW。
这样，按照该实施方式的交流波形变换器式电源装置，为了只在变换器的周波单位通电循环的节距内进行通过电流反馈方式的上升斜率或下降斜率的通电控制，而可以不受单位通电期间T即交流波形的(半)循环的限制地在时间单位任意设定斜率期间，可以把斜率的倾斜设定为任意大小或形状。因为上升斜率期间或下降斜率期间中并不是使电流以单位通电期间T的周期进行斜率增加或斜率下降，可以使电流以任意的斜率特性(期间·倾斜度)连续并直线地变化，所以可以进行适合被焊接材料W(46、48)的特性的最佳的斜率控制通电。
在上述的实施方式中，虽然为了使一次电流I1或二次电流I2模仿成基准电流波形SI，而通过电流限幅方式切换变换器68，但也可以用脉冲宽度调制(PWM)方式切换控制变换器68。这时既可以把电源检测器56安装在一次电路的变换器68的输出侧导体上，也可以安装在二次侧电路的导体38上。
另外，上述的实施方式是与电阻焊接用的交流波形变换器式电流装置有关的设备，但本发明也适用于通过通电使金属构件接合的其它方式的方法或装置。熔融加工可以通过与电阻焊接装置相同构成的装置实施。
在图5中示出熔融加工一例，该加工是使被覆线W1与例如铜或铜合金构成的板片状的端子W2产生电和物理连接。
首先如图5(A)所示，把在端子W2的弯曲部或折曲部WC的内侧放入被覆线W1的构件作为被加工物将该被加工物插入一对(例如上部和下部)的电极34与36之间，通过下部电极36把端子弯曲部WC的下面支持在定位位置上，同时使上部电极34顶压到端子弯曲部WC的上面，并通过加压装置40(图1)以规定压力下往下压。与此同时，利用电源部10在把规定的电压加在两电极34和36之间。
这样一来，首先把端子弯曲部WC作为电流通路使电流I在两电极34、36之间，在端子弯曲部产生焦尔热。因此如图5(B)所示，被覆线W1的绝缘体Wb被焦尔热熔化后从导体Wa上剥离(除去)。
一旦把绝缘体Wb除去，如图5(C)所示，电流I就通过被覆线W1的导体(一般为铜)Wa流过两电极34与36之间。因为在通电期间也要在两电极34与36之间继续施加压力F，所以通过焦尔热和压力F使端子弯曲部WC和被覆线导体W压接成一体或压扁后凿密成一体，从而使被覆线W1和端子W2两电和物理固定连接在一起。并且因为被覆线W1的导体Wa与端子W2的电阻非常小，所以在两者之间不发生熔核(焊接接合)。
如上所述，按照本发明的金属构件接合方法或交流波形变换器式电源装置，可以使斜率控制的自由度和精密度提高，并可以根据各种金属构件的特性的不同使斜率控制通电最优化。

Claims (7)

1.一种金属构件接合方法，是边使电极与由金属构件构成的被加工件加压接触边流过电流接合上述被加工件的方法，其特征在于，包括
通过整流电路使商用频率的交流电压变换成直流电压；
通过变换器把由上述整流电路输出的直流电压变换成高频脉冲电压；
使上述变换器输出的上述高频脉冲电压通过变压器并由上述变压器的二次侧不经整流而通过上述电极加在上述被加工件上；
把一次通电时间分割成多个通电时间，在奇数号的通电期间使高频脉冲按上述变换器的一个极性输出，而在偶数号通电期间按上述变换器的另一极性输出；
在预定设计的上升斜率期间或下降斜率期间，使上述变压器的一次侧或二次侧流过的电流的峰值或振幅在每个上述高频的单位通电循环内与通电的极性无关地与预定的斜波波形的基准电流值几乎一致。
2.如权利要求1所述的金属构件的接合方法，其特征在于：以时间单位设定上述上升斜率期间或上述下降斜率期间。
3.一种金属构件接合用的交流波形变换器式电源装置，其特征在于，包括：
使商用频率的交流电压变换成直流电压的整流电路；
把上述整流电路输出的直流电压变换成高频脉冲电压的变换器；
变压器，所述变压器的一次侧线圈与上述变换器的输出端子电连接，二次侧线圈与用于接合由金属构件构成的被加工件的电极不经过整流电路而电连接；
使一次通电时间分割设定成多个通电期间的通电时间设定单元；
设定包含上升斜率部分或下降斜率部分的所希望的基准电流波形的电流设定单元；
控制上述变换器的开关动作的控制单元，所述控制单元在上述通电时间通电过程中，在分割的多个通电期间中的奇数号的各通电期间使上述高频脉冲按上述变换器的一个极性输出，在上述偶数次各通电期间使上述高频脉冲按上述交换器的另一个极性输出；使上述变压器的一次侧或二次侧中流过电流的峰值在每个上述高频的单位通电循环内与上述基准电流波形几乎一致。
4.如权利要求3所述的交流波形变换器式电源装置，其特征在于：上述电源设定单元具有用于按时间单位设定上述上升斜率部分或下降斜率部分的持续时间的单元。
5.如权利要求4所述的交流波形变换器式的电源装置，其特征在于，上述电流设定单元具有：
用于设定上述基准电流波形的恒定电流值的恒定电流值设定单元；和
根据由上述恒定电流值设定单元给出的恒定电流值和由上述斜率时间设定单元给出的斜率持续时间计算上述上升斜率部分或下降斜率部分的波形的斜波波形设定部。
6.如权利要求3、4或5所述的交流波形变换器式电源，其特征在于，上述控制单元具有：测定上述变压器的一次侧或二次侧中流过的电流的电流测定单元；
给出规定上述变换器的单位通电周期的时钟信号的时钟电路；和
变换器控制单元，所述变换器控制单元通过与上述时钟信号同步并在上述单位通电周期的开始点使上述变换器按在该通电期间选择的极性接通，在由上述电流测定单元获得的电流测定值信号达到来自上述电流设定单元的上述基准电流波形的电流值时点或上述单位通电周期的终点时使变换器断开。
7.如权利要求6所述的交流波形变换器式电源装置，其特征在于，上述电流测定单元具有在上述变压器的一次侧电路上的上述整流电路上用于检测流过输出端子与上述变换器的输入端子之间的导体的一次电流的电流检测器。
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