JP3075600B2 - 圧接方法および圧接装置 - Google Patents

圧接方法および圧接装置

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JP3075600B2
JP3075600B2 JP03223138A JP22313891A JP3075600B2 JP 3075600 B2 JP3075600 B2 JP 3075600B2 JP 03223138 A JP03223138 A JP 03223138A JP 22313891 A JP22313891 A JP 22313891A JP 3075600 B2 JP3075600 B2 JP 3075600B2
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武 川名
俊之 網本
恭子 倉橋
栄作 生井
敢次 村上
宏治 上山
順雄 岩崎
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株式会社日立製作所
日立化成工業株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属体の接合に広く利
用される電気抵抗溶接で、とりわけ小物精密部品を対象
として実施されることが多い圧接方法および圧接装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】例えば、銅細線とプリント基板上の銅パ
ターンとの接合では、圧接と呼ばれる形態の溶接で行な
われることが多い。この圧接は、被溶接物に通電して、
これを暖めつつ、被溶接物相互を押し付けて接合するも
のである。なお、この圧接においては、被溶接物の溶融
は伴わない。一般的に、被溶接物に加えるエネルギは、
溶接部周辺への熱的影響を考慮した場合、可能な限り小
さいことが好ましい。
【0003】ところで、圧接を実現する電気抵抗溶接に
おいては、被溶接物が異なる場合、電極と被溶接物間、
被溶接物相互間の接触抵抗が異なるために、電極間の電
気抵抗Rは一定ではない。電極への通電には、一般的
に、定電圧あるいは定電流方式が用いられており、定電
圧Vの場合の入力エネルギはV2/R、定電流Iの場合
の入力エネルギはI2Rとなり、いずれも負荷抵抗の変
動により入力エネルギーが変動する。このため、溶接に
必要な最少入力エネルギに対し、不定のエネルギを与え
ることになり、安定した信頼度の高い溶接を実現するこ
とができない。殊に、前述した銅細線の溶接の場合、プ
リント基板の熱的損傷を避けるために、最少入力エネル
ギでの溶接が望ましい。
【0004】従来、被溶接物への入力エネルギを制御す
るものとしては、例えば、特開昭63−180384号
公報に記載されているものがある。これは、被溶接物を
溶融する溶接を対象にしており、溶接通電中の電圧を検
知して、この電圧に基づいて溶接電流を定め、入力エネ
ルギを制御するものである
【0005】。
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では、溶接通電中に電圧を検出し電流を制御するた
め、この応答性が高くなければ、精密な溶接は行なえな
い。つまり、径30μmの銅細線をプリント基板上の銅
パターンに溶接する場合、適した溶接時間は3msない
し20msで、1ms程度の応答性が要求されるが、従
来技術ではこのような応答性は望めず、小物の精密溶接
には適していない。
【0006】また、圧接では、被溶接物が溶融しないた
めに溶接通電中の抵抗変化がほとんど無く、電圧変化も
あまり生じず、溶接通電中の電圧変化は入力エネルギの
制御にあまり影響を及ぼさないが、被溶接物が異なった
場合の抵抗変化は入力エネルギの制御に大きな影響を与
える。したがって、従来技術のように、溶接通電中の電
圧変化に基づいて溶接電流を制御するのでは、圧接の場
合、入力エネルギの適切な制御を行なえるとは言い難
い。このように、従来技術では、被溶接物に、溶接に必
要な最小エネルギを与えることが難しく、溶接の信頼性
があまり高くなく、かつ被溶接物周囲への熱影響が比較
的大きいという問題点がある。
【0007】本発明では、このような従来の問題点につ
いて着目してなされたもので、溶接の信頼性が高く、か
つ被溶接物周囲への熱影響の少ない接合を行なうことが
できる圧接方法および圧接装置を提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の圧接方法は、被溶接物を圧接させるのに必要な最小エ
ネルギと、該被溶接物を圧接する際の電極間抵抗とを予
め求めておき、前記最小エネルギを得るために必要な電
極印加電圧と電極印加電流と通電時間とを、前記電極間
抵抗を考慮して定め、定めた前記電極印加電圧および前
記電極印加電流を前記電極に前記通電時間だけ供給し
て、前記被溶接物を圧接することを特徴とするものであ
る。
【0009】前記目的を達成するための他の圧接方法
は、被溶接物が再結晶する温度を維持するのに必要な電
極供給電力を演算して求めておくと共に、測定により得
られた、または予め求められている被溶接物と同一の金
属材が再結晶する温度と時間との関係から、前記電極供
給電力と通電時間との関係を求めておき、前記被溶接物
を圧接する前に、該被溶接物を圧接する際の電極間抵抗
を測定し、前記通電時間と電極印加電圧とのうち一方を
定め、前記電極供給電力と通電時間との関係から、前記
電極間抵抗を考慮して、前記通電時間と前記電極印加電
圧とのうち他方を定め、定められた前記電極印加電圧を
前記電極に前記通電時間だけ供給して、前記被溶接物を
圧接することを特徴とするものである。
【0010】また、前記目的を達成するための圧接装置
は、被溶接物を圧接させるのに必要な最小エネルギを記
憶しておく記憶手段と、前記被溶接物を圧接する際の電
極間抵抗を測定する抵抗測定手段と、前記最小エネルギ
を得るために必要な電極印加電圧と電極印加電流と通電
時間とを、前記電極間抵抗に基づいて定める演算手段
と、定めた前記電極印加電圧および前記電極印加電流を
前記電極に前記通電時間だけ供給する電源とを備えてい
るを特徴とするものである。
【0011】
【作用】発明者は、溶接物の溶融をともなわずに接合を
行なう圧接においては、溶接に必要な条件は被溶接物
(金属)の再結晶であると考える。ここで、一定温度T
下で再結晶率Xに達する時間tは、次式で求められる。
【0012】
【数1】
【0013】なお、数1において、t;時間(s)、
Q;活性化エネルギ(J/mol)、R;ガス定数(J/m
ol・K)、T;絶対温度(K)、c;定数(1/s)で
ある。
【0014】この数1には、活性化エネルギQ等、不明
な値があるため、これを被溶接物と同一の対象金属に関
して材料試験を行なって求め、被溶接物に適用できる式
にする。一方、溶接電力を加えた場合の溶接部の温度変
化は解析的あるいはシミュレーションにより求められ
る。この結果と数1とから、再結晶に必要な最小電力
と、再結晶に必要な時間、つまり最小電力を供給してお
く通電時間との関係を決定する。以上の作業は、実際に
溶接する前に予め準備しておく。
【0015】実際に溶接を行なう際には、被溶接物ごと
に圧接する際の電極間抵抗を測定して、関係が定められ
ている通電時間と電極印加電圧とのうち一方を定め、そ
して、測定により得られた電極間抵抗に基づいて、通電
時間と電極印加電圧とのうち他方を定める。この定めら
れた電極印加電圧を電極に対して、定められた通電時間
だけ供給して、被溶接物の圧接を行なう。
【0016】このように、再結晶に必要な最小電力と通
電時間との関係で定められる、圧接に必要な最小エネル
ギが、被溶接物に正確に印加されるよう、各被溶接物を
圧接する前に、被溶接物を圧接する状態における電極間
抵抗を測定して、この電極間抵抗に基づいて、前記最小
エネルギが得られる印加電圧や通電時間を定めて、この
印加電圧、通電時間で圧接を行なっているので、被溶接
物に対して、圧接に必要な最小エネルギが確実に印加さ
れる。このため、溶接の信頼性を高くすることができる
と共に、被溶接物周囲への熱影響を少なくすることがで
きる。
【0017】
【実施例】本発明に係る一実施例の圧接装置について、
図面を用いて説明する。本実施例の圧接装置は、被溶接
物に電流を印加して圧接を行なう圧接部と、圧接部から
被溶接物に加えられるエネルギを制御する溶接エネルギ
制御部とを有している。
【0018】圧接部は、図1に示すように、パラレルギ
ャップ電極11と、溶接時に印加すべき電圧及び印加時
間を外部から制御しうる高い応答性の定電圧溶接電源1
0と、定電圧溶接電源10からパラレルギャップ電極1
1に電力を供給するためのライン13,14において、
そこを流れる電流を測定するための電流測定用抵抗12
とを有している。
【0019】溶接エネルギ制御部は、定電圧溶接電源1
0へ溶接電圧および溶接時間を指令する電源制御装置2
0と、溶接電圧や溶接時間の算出のための演算等を行な
う計算機30と、計算機30に指示を与えるキーボード
35と、演算結果等を表示するCRT36と、演算に必
要なデータ等が記憶されているフロッピーディスク装置
37とを有している。電源制御装置20には、計算機3
0によって求められた溶接電圧および溶接時間に関する
信号をディジタル・アナログ変換して定電圧電源10に
出力するDA変換器21と、電流測定用抵抗12の電圧
値をアナログ・ディジタル変換するAD変換器と、ライ
ン17,18から得られるパラレルギャップ電極11間
の電圧値をアナログ・ディジタル変換するAD変換器
と、AD変換器からの出力を増幅して計算機30に出力
する増幅器24,25と、増幅器24,25からの出力
を記憶するメモリ26,27とが設けられている。な
お、メモリ26には、電流測定用抵抗12の電圧値が記
憶され、メモリ27にはパラレルギャップ電極11の電
極間電圧値が記憶される。また、計算機30には、図5
から図8に示すフローを実施するためのプログラムや各
種データ等が記憶されているメモリ32と、メモリ32
に記憶されているプログラムに基づいて各種演算等を行
なうCPU31と、I/O33とが設けられている。
【0020】次に、本実施例の作用について説明する。
なお、ここでは、径30μsの銅細線1をプリント基板
3上の厚さ35μsの銅パターン2に溶接する場合を例
にして説明する。
【0021】被溶接物の溶融を伴わない圧接において、
必要な条件は、各種実験の結果、被溶接物(金属)の再
結晶化である考えることができた。すなわち、被溶接物
の再結晶により、被溶接物が柔らかくなって伸び、これ
に伴って被溶接物の表面に、微視的に見て凹凸の在る新
鮮な面が形成され、この状態で被溶接物相互を押し付け
合うことにより、被溶接物相互が接合されると考えられ
た。ここで、一定温度T下で再結晶率Xに達する時間t
は、次式で求められる。
【0022】
【数1】
【0023】なお、数1において、t;時間(s)、
Q;活性化エネルギ(J/mol)、R;ガス定数(J/m
ol・K)、T;絶対温度(K)、c;定数(1/s)で
ある。
【0024】この数1を対象とする銅に適用できるよう
にするため、その銅に関して材料試験を行ない活性化エ
ネルギQ(=9.59×104)を求め、これと定数c
(=2.83×109)を数1に代入して、以下の式を
得る。
【0025】
【数2】
【0026】この数2で表される関係を図案化したもの
が図2である。
【0027】一方、溶接電力を加えた場合の溶接部の温
度変化は解析的あるいはシミュレーションにより求めら
れる。ここでは、銅細線1を銅パターン2に溶接する場
合についてシミュレーションを行ない、図3に示すよう
な結果が得られた。この結果と数1で表される関係とを
組み合わせることにより、銅細線1を銅パターン2に溶
接する場合における、電力値毎の再結晶に要する時間
が、図4に示すように、求められる。この電力値と、再
結晶に要する時間つまり通電時間との関係は、フロッピ
ーディスクに記憶されている。
【0028】次に、実際に銅細線1を銅パターン2に溶
接する際の動作について、図5および図6に示すフロー
チャートに従って説明する。計算機30等を起動させる
と、フロッピーディスクに記憶されている電力値と通電
時間との関係がフロッピーディスク装置37から計算機
30に取り込まれ、適切な通電時間と溶接電力Pとが選
択され、溶接時間t(=通電時間+加圧時間)と溶接電
力Pとが設定される(ステップ10)。具体的には、こ
こでは、溶接電力Pとして70W、溶接時間tとして5
ms(=3.5(通電時間)+1.5(加圧時間))が設
定される。次に、実際に銅線1と銅パターン2とを溶接
する際の電極間抵抗Rを求めるための、通電時間t1
供給電圧v1とをキーボード35から入力する(ステッ
プ11)。
【0029】一連の条件設定が終了すると、銅線1と銅
パターン2とを溶接する際の電極間抵抗Rの測定を開始
する。まず、計算機30に設定された通電時間t1と供
給電圧v1とが電源制御装置20を介して、定電圧電源
10に出力され(ステップ12)、定電圧電源10から
パラレルギャップ電極11に電圧v1がt1時間かけられ
る(ステップ13)。この間、電流測定用抵抗12にか
かる電圧とパラレルギャップ電極11にかかる電圧と
が、電源制御装置20により、測定され(ステップ1
4)、それぞれの電圧値が電源制御装置20のメモリ2
6,27に記憶された後、計算機30に出力される。計
算機30のCPU31は、電流測定用抵抗12の抵抗値
と、そこにかかる電圧の値とからパラレルギャップ電極
11に流れる電流を求める。その後、CPU31は、パ
ラレルギャップ11間にかかる電圧の値とパラレルギャ
ップ電極11に流れる電流の値とから、電極間抵抗Rを
求める(ステップ15)。
【0030】次に、求められた電極間抵抗Rと、予め設
定しておいた溶接電力Pとから、以下に示す数3を用い
て、溶接電圧vを算出する(ステップ16)。
【0031】
【数3】
【0032】算出した溶接電圧vと予め設定しておいた
溶接時間tとは、計算機30のCPU31から、電源制
御装置20を介して、定電圧電源10に出力される(ス
テップ17)。そして、この溶接電圧v2がパラレルギ
ャップ電極11にt時間かけられて、実際に、銅線1と
銅パターン2とが溶接される(ステップ18)。この
間、電流測定用抵抗12にかかる電圧とパラレルギャッ
プ電極11にかかる電圧とが、電源制御装置20によ
り、測定されており(ステップ19)、必要に応じて、
計算機30にこれを呼び出しCRT36に表示できるよ
うになっている。
【0033】次に、全ての銅線1と銅パターン2との溶
接が終了したか否かを判断し(ステップ20)、終了し
ていなければ、再びステップ12に戻り、溶接していな
い銅線1と銅パターン2に対して、ステップ12からス
テップ19までの処理を実施してから終了する。
【0034】以上は、溶接時間を予め設定しておき、各
溶接部ごとに適切な溶接電圧を求めて、溶接を実施した
ものであるが、逆に、溶接電圧を予め設定しておき、各
溶接部ごとに適切な溶接時間を求めて溶接を実施しても
よく、以下、これに関して、図7および図8に示すフロ
ーチャートに従って説明する。まず、先に説明した処理
と同様に、フロッピーディスクに記憶されている電力値
と通電時間との関係がフロッピーディスク装置37から
計算機30に取り込まれる。そして、溶接電圧vが選択
されて、これらがメモリ32内に記憶される(ステップ
30)。
【0035】次に、実際に銅線1と銅パターン2とを溶
接する際の電極間抵抗Rを求めるための、通電時間t1
と供給電圧v1とをキーボード35から入力し(ステッ
プ31)、先の処理(ステップ12からステップ15)
と同様の処理(ステップ32からステップ35)を行な
って、電極間抵抗Rを算出する。そして、電極間抵抗R
と溶接電圧vから、溶接電力P(=v2/R)を求め
て、先に計算機30に取り込んでおいた電力値と通電時
間との関係から、溶接時間tを算出する(ステップ3
6)。次に、算出した溶接時間tと予め設定しておいた
溶接電力とが、計算機30のCPU31から、電源制御
装置20を介して、定電圧電源10に出力され(ステッ
プ37)、以下先の処理(ステップ18からステップ4
0)と同様にして溶接される(ステップ38からステッ
プ40)。
【0036】以上のように、本実施例では、銅線1と銅
パターン2とが再結晶するのに必要なエネルギ、すなわ
ち、溶接に必要な最小エネルギが確実に供給されるた
め、銅線1と銅パターン2とが確実に接合されると供
に、溶接部近傍における熱影響を最小限に抑えられる。
【0037】なお、溶接中において溶接電圧を変えても
良いが、本実施例のように、小物精密部品を対象とする
圧接においては、溶接時間は短く、溶接時間内の設定電
圧変動は困難であるから、溶接時間内の溶接電圧一定し
た方が、基本的に正確に最小エネルギを供給することが
できると共に装置コストの削減も図ることができるの
で、好ましい。また、溶接時の電極間の溶接電圧の立上
りの良さ、高速度応答が必須であるが、近年の市販超精
密級定電圧溶接電源はこれを満足している(例えば、日
本アビオニクス社製定電圧溶接電源では、立上り1ms以
下、速度応答25μs以下)。また、本実施例において
は、電極を図1に示すようなパラレルギャップ型のもの
を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、
例えば、図9に示すような突合せ型の電極11aを用い
てもよい。
【0038】
【発明の効果】本発明によれば、被溶接物に対して、圧
接に必要な最小エネルギを確実に供給することができる
ので、溶接の信頼性を高めることができると共に、溶接
部周囲への熱影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る一実施例の圧接装置の回路ブロッ
ク図である。
【図2】銅が再結晶に要する時間と温度との関係を示す
グラフである。
【図3】シミュレーションにより求めた溶接部の温度と
時間との関係を示すグラフである。
【図4】溶接時における電力値毎の再結晶の時間的推移
を示すグラフである。
【図5】本発明に係る一実施例の圧接装置の動作を示す
フローチャートである。
【図6】本発明に係る一実施例の圧接装置の動作を示す
フローチャートである。
【図7】本発明に係る一実施例の圧接装置の他の動作を
示すフローチャートである。
【図8】本発明に係る一実施例の圧接装置の他の動作を
示すフローチャートである。
【図9】本発明に係る他の実施例の圧接装置の電極の要
部正面図である。
【符号の説明】
1…銅細線(被溶接物)、2…銅パターン(被溶接物)
10…定電圧電源、11…パラレルギャップ電極、12
…電流測定用抵抗、20…電源制御装置、30…計算
機、31…CPU、32…メモリ、37…フロッピーデ
ィスク装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 網本 俊之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (72)発明者 倉橋 恭子 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株式会社 日立製作所 生産技術研究所 内 (72)発明者 生井 栄作 茨城県下館市大字小川1500番地 日立化 成工業株式会社 下館第2工場内 (72)発明者 村上 敢次 茨城県下館市大字小川1500番地 日立化 成工業株式会社 下館第2工場内 (72)発明者 上山 宏治 茨城県下館市大字小川1500番地 日立化 成工業株式会社 下館第2工場内 (72)発明者 岩崎 順雄 茨城県下館市大字小川1500番地 日立化 成工業株式会社 下館研究所内 (56)参考文献 特開 平2−224881(JP,A) 特開 平5−50264(JP,A) 特開 昭63−215386(JP,A) 特開 平2−80179(JP,A) 特開 昭62−64483(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 11/00 - 11/36 330 H05K 3/32 B23K 20/00

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被溶接物に電極から電力を供給し、該被溶
    接物を溶融させずに接合させる圧接方法において、 前記被溶接物を圧接させるのに必要な最小エネルギと、
    該被溶接物を圧接する際の電極間抵抗とを予め求めてお
    き、 前記最小エネルギを得るために必要な供給電力と通電時
    間とを、前記電極間抵抗を考慮して定め、 定めた前記供給電力を前記電極に前記通電時間だけ供給
    して、前記被溶接物を圧接することを特徴とする圧接方
    法。
  2. 【請求項2】被溶接物に電極から電力を供給し、該被溶
    接物を溶融させずに接合させる圧接方法において、 前記被溶接物の再結晶に必要なエネルギを、該被溶接物
    の圧接に必要な最小エネルギとして、前記電極から供給
    する電力およびその通電時間を定め、 定めた前記電力を前記電極から、定めた前記通電時間だ
    け供給して、前記被溶接物を圧接することを特徴とする
    圧接方法。
  3. 【請求項3】被溶接物に電極から電力を供給し、該被溶
    接物を溶融させずに接合させる圧接方法において、 前記被溶接物が再結晶する温度を維持するのに必要な電
    極供給電力を演算して求めておくと共に、測定により得
    られた、または予め求められている被溶接物と同一の金
    属材が再結晶する温度と時間との関係から、前記電極供
    給電力と通電時間との関係を求めておき、 前記被溶接物を圧接する前に、該被溶接物を圧接する際
    の電極間抵抗を測定し、前記通電時間と電極印加電圧と
    のうち一方を定め、前記電極供給電力と通電時間との関
    係から、前記電極間抵抗を考慮して、前記通電時間と前
    記電極印加電圧とのうち他方を定め、 定められた前記電極印加電圧を前記電極に前記通電時間
    だけ印加して、前記被溶接物を圧接することを特徴とす
    る圧接方法。
  4. 【請求項4】前記被溶接物と同一の金属材が再結晶する
    温度Tと時間tとの関係は、活性化エネルギQを、ガス
    定数をR、再結晶率をx、定数をcとすると、 【数1】 で表されることを特徴とする請求項3記載の圧接方法。
  5. 【請求項5】被溶接物に電極から電力を供給し、該被溶
    接物を溶融させずに接合させる圧接装置において、 前記被溶接物を圧接させるのに必要な最小エネルギを記
    憶しておく記憶手段と、前記被溶接物を圧接する際の電
    極間抵抗を測定する抵抗測定手段と、 前記最小エネルギを得るために必要な供給電力とその通
    電時間とを、前記電極間抵抗に基づいて定める演算手段
    と、 定めた前記供給電力を前記電極に前記通電時間だけ供給
    する電源とを備えているを特徴とする圧接装置。
  6. 【請求項6】被溶接物に電極から電力を供給し、該被溶
    接物を溶融させずに接合させる圧接装置において、 前記被溶接物の再結晶に必要な温度を維持するのに必要
    な電極供給電力と通電時間との関係を記憶しておく記憶
    手段と、 前記被溶接物を圧接する際の電極間抵抗を測定する抵抗
    測定手段と、 前記通電時間と電極印加電圧とのうち一方が設定される
    と、前記電極供給電力と通電時間との関係から、前記電
    極間抵抗に基づき、前記通電時間と前記電極印加電圧と
    のうち他方を定める演算手段と、 定められた前記電極印加電圧を前記電極に前記通電時間
    だけ供給する電源とを備えていることを特徴とする圧接
    装置。
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