JP3280890B2 - パルスヒート式接合装置およびその制御方法 - Google Patents
パルスヒート式接合装置およびその制御方法Info
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Description
たヒータにパルス電流を供給することにより被接合部を
局部的に加熱して接合するパルスヒート式接合装置と、
その制御方法とに関するものである。
リント配線板等のリード線を熱圧着したり、プリント配
線板へICリード等をリフローソルダリングする際に用
いる接合装置として、パルスヒート方式のものが知られ
ている。
抗材料で作られたヒータチップを被接合部に押圧し、こ
の状態でこのヒータチップにパルス状の大電流を流すこ
とによりジュール熱を発生させ、この熱で被接合部を局
部的に加熱し溶融させ、接合するものである。例えばリ
フローソルダリングの場合には一対の被接合部間に挟ん
だ半田を溶融させ、その後パルス電流を止め被接合部が
冷えて半田の凝固温度以下になるのを待ってからヒータ
チップを被接合部から離す。
に対してヒータチップを押圧または離隔させるための昇
降駆動手段を持ったヘッド部と、ヒータチップの加熱時
間に対応して変化するパルス電流を供給するパルスヒー
ト電源とを備える。この場合にパルスヒート電源は、ヒ
ータチップの温度すなわちヒータ温度をフィードバック
し、このヒータ温度が予め設定した時間・温度制御特性
(温度プロファイルという)となるようにヒータ電流を
制御する。
標温度とフィードバックしたヒータ温度との差を小さく
するように、ヒータ電流(交流)を位相制御し、目標温
度の変化にヒータ温度を追従させるものである。
ロファイルに従った加熱の前と後ではヒータ電流は零に
制御されていた。すなわち接合スタート指令が来てから
ヒータ電流が流れ始め、ヒータの加熱を開始するもので
あった。
押圧してからヒータ電流を供給し始めるため、ワークの
加熱時間が長くなり、ヒータからワークに伝わる熱量が
増える。ICなどのワークによっては、この接合時の加
熱を極力抑制することが求められるが、この従来装置で
はワークに伝わる熱量が増えるため、このワークやこの
ワークを組込んだ製品の信頼性低下を招くという問題が
あった。
て熱電対を用いることが多いが、この熱電対の寿命は測
定する温度の変動幅と繰り返し使用回数に依存する。従
って1つのワークに対する接合処理ごとにヒータを冷却
していては、1回の処理内におけるヒータ温度の変動幅
が大きくなり、熱電対の寿命が短くなる。
わる熱量を減らしてワークを熱的障害から保護すると共
に、ヒータ温度を検出する素子の寿命を長くすることが
できるパルスヒート式接合装置の制御方法を提供するこ
とを第1の目的とする。またこの発明は、この方法の実
施に直接使用するパルスヒート式接合装置を提供するこ
とを第2の目的とする。
にヒータを押圧して加熱すると共に、ヒータ温度をフィ
ードバックしてヒータ温度を予め設定した温度プロファ
イルに追従させることにより複数の前記被接合部を順次
接合するパルスヒート式接合装置に用いる制御方法にお
いて、前記ヒータによる複数の被接合部に対する接合処
理の間であってかつ前記ヒータが前記被接合部から離れ
ている間で、前記ヒータを接合に必要な設定温度より低
いほぼ一定の予備加熱温度に加熱し保持しておくことを
特徴とするパルスヒート式接合装置の制御方法、により
達成される。
は設定温度は半田溶融温度より十分に高く設定され、予
備加熱温度は100〜200℃に設定しておくことがで
きる。温度プロファイルは2段加熱のものとすることが
でき、この場合は第1段加熱の設定温度(第1設定温
度)よりも低い温度を予備加熱温度とすることができ
る。温度プロファイルを1段加熱とする場合には、設定
温度は約280℃となり、予備加熱温度は150〜20
0℃に設定するのがよい。
ヒータを押圧し加熱すると共に、ヒータ温度をフィード
バックしてヒータ温度を予め設定した温度プロファイル
に追従させることにより複数の前記被接合部を順次接合
するパルスヒート式接合装置において、前記ヒータ温度
を検出するヒータ温度検出手段と、前記温度プロファイ
ルおよび予備加熱温度を記憶するメモリ手段と、前記ヒ
ータによる複数の被接合部に対する接合処理の間であっ
てかつ前記ヒータが前記被接合部から離れている間で前
記ヒータ温度を常にほぼ一定の予備加熱温度に保持する
と共に前記温度プロファイルに従ったヒータ温度に制御
する温度制御手段とを備えることを特徴とするパルスヒ
ート式接合装置、により達成できる。
データの送受信を行うインターフェースを設け、外部コ
ントローラから送られる外部信号に基づいて外部からコ
ントロール可能にすることができる。例えば緊急時に
は、接合途中の処理を終わった時点で、あるいは接合途
中であっても直ちに処理を中断させることができるよう
に構成することができる。
れてヒータを予備加熱温度に加熱する。その後ワークを
設定してから接合スタートを指令すれば、ヒータはワー
クに押圧され、所定の押圧力になると温度プロファイル
に基づいてヒータ電流が流れ始め、ヒータ温度はこの温
度プロファイルに沿って制御される。
御が開始される前に、ヒータ温度は予備加熱温度に保た
れているから、この時のヒータ温度の変動幅は小さくな
る。このためヒータの加熱に要する時間が短くなる。ま
たこの予備加熱温度のヒータがワークに押圧されてから
ヒータ温度が上昇するので、ワークの加熱時間が短くな
り、ワークに伝わる熱量が減る。温度プロファイルによ
るヒータ温度の制御が終わると、ヒータ電流は急減しヒ
ータは予備加熱温度に保たれ、次の接合スタート指令が
入力されるのを待つ。
置の外観図、図2はその制御系を簡略化して示す図、図
3はヒータ電流波形(a)とそのゼロクロス信号(b)
とリセット信号R(c)とを示す図である。図4はヒー
タ電流検出回路を示す図、図5は表示装置の表示例であ
る。図6は制御回路の機能ブロック図である。
スヒート電源を示す。ヘッド部Hは、基台10と、この
基台10の上方に対向配置された駆動部12と、フット
スイッチ14とを持つ。基台10にはプリント基板16
を含むワークが保持されている。駆動部12はエアシリ
ンダ18によって昇降する可動部20を持ち、この可動
部20にはプリント基板16の上方に位置するヒータチ
ップ22が保持されている。ヒータチップ22は、フッ
トスイッチ14をオペレータが踏みエアシリンダ18に
エアを供給することにより可動部20と一体に下降し、
プリント基板16を所定の圧力で押圧する。
どで作られ、図2に示すように正面から見て略U字状に
成形されている。このヒータチップ22には電源Pから
供給されるパルス状のヒータ電流Iにより加熱される。
ワークは、プリント基板16の回路パターン24と、こ
の回路パターン24に予め半田めっきを施したり溶融半
田層に侵漬することにより供給された半田層26と、こ
の半田層26に重ねたICなどのリード28とで形成さ
れる。
ークに押圧され、ヒータ電流が供給されることにより発
熱する。このヒータ22の発熱により、半田層26が溶
融し、その後ヒータ電流を遮断して冷却し、半田を凝固
させてからヒータチップ22を上昇させる。この間のヒ
ータ温度Tはヒータチップ22に接着した熱電対30に
より検出される。
て説明する。図2において32はトランス部、34は制
御部である。トランス部32は溶接トランス36を備
え、この溶接トランス36の一次巻線にはSCRスタッ
ク38で位相制御された200V単相交流電圧が供給さ
れる。溶接トランス36の二次巻線に誘起される低電圧
の交流が前記ヒータチップ22に供給される。
流電源の位相は、絶縁トランス40で検出され、制御部
34内の位相制御回路42に入力される。この位相制御
回路42は、この交流電源電圧がゼロになるゼロクロス
点を示す同期信号(SYNC)に同期しかつ後記するC
PU70により設定された導通角θ(図3)となるゲー
ト信号GをSCRドライブ回路44に送出する。ゲート
信号GはこのSCRドライブ回路44で所定電圧レベル
のゲート駆動信号とされて、SCRスタック38の各S
CRを交互にオン・オフ制御する。
ータ電流Iは、ホール素子などを用いた電流検出器46
で検出され、増幅器(AMP)47で所定電圧レベルに
増幅され、その信号iは制御部34内の積分器48に入
力される。この積分器48は図4に示すように、PNP
トランジスタ50のコレクタに接続された積分コンデン
サ52と、この積分コンデンサ52の電荷を放電させる
ためのスイッチング用トランジスタ54とをもつ。前記
電流検出器46の出力は増幅されて信号iとなってこの
PNPトランジスタ50のベースに導かれコンデンサ5
2の充電電流を変化させる。
相制御回路42で得たリセット信号R(図3)によりオ
ンとされ、この時コンデンサ52の電荷をこのトランジ
スタ54を通して放電させる。この結果コンデンサ52
の充電端電圧は、図3に示したヒータ電流Iの半サイク
ルごとの積分値を示すことになる。この出力は切替えス
イッチ(マルチプレクサ)56に導かれる。なおリセッ
ト信号Rは同期信号SYNCに僅かな時間tRだけ遅れ
て出力される信号であり、交流電源のゼロクロス時点に
僅かに遅れてコンデンサ52をリセットさせる。
ある増幅器58で増幅され、切替スイッチ56に導かれ
る。切替スイッチ56は、前記積分器48が出力するヒ
ータ電流Iを示す信号と、このヒータ温度Tを示す信号
とを時間をずらして選択し、A/D変換器60でデジタ
ル信号にしてCPU70へ送る。ここに前記積分器48
は交流電源の2倍の周波数でリセットされるので、切替
スイッチ56はこのリセット信号Rと同じ周波数でコン
デンサ電圧をサンプリングする必要がある。例えば電源
周波数が50HZの場合には切替スイッチ56は100
HZのサンプリング周波数で、換言すれば10msec
ごとにヒータ電流Iをサンプリングする。
はこのような電源周波数の規制を受けないので、切替ス
イッチ56は例えば0.5sec(500msec,2
HZ)ごとに選択すれば足りる。なおヒータチップ22
の通電時間が十分に短い場合には、このヒータ温度Tの
サンプリング周期を短くし、例えば0.2secとし
て、後記する温度の図形表示を滑らかに見えるようにす
るのがよい。
ータ電流Iの時間変化は、図1に示すパルスヒート電源
Pの表示装置62に図形表示することができる。例えば
図5に示すように図形表示することができる。ここでは
ヒータ温度Tを単純に設定温度TOで一定となるように
制御する場合、すなわち1段加熱を行う場合を示してい
る。従ってヒータ電流Iは、通電開始直後の加熱中に大
きくなり、その後電流Iのオーバーシュートを防ぐため
にヒータ電流が急減し、所定温度TOに達した後はヒー
タ電流Iも一定となる。
18には、エアポンプ64が出力する空気圧が圧力調整
部66で調節された後供給される。すなわちエアポンプ
64が出力する空気圧は、圧力調整部66で所定圧の圧
力に調整されてエアシリンダ18に供給される。この圧
力調整部66による圧力供給は制御部34の押圧力制御
部68によりオン・オフ制御される。
る。70はCPU(マイクロコンピュータ)であり、前
記位相制御回路42、A/D変換器60、押圧力制御部
68がバス72を介して接続されている。またこのバス
72には、I/Oインターフェース74、76を介して
それぞれ入力装置78と前記した表示装置62とが接続
されている。このバス72にはインターフェース80を
介してフットスイッチ14も接続されている。
電源Pのケース前面に配設されたスイッチ群78Aから
数値や指示などを入力するものである。表示装置62は
前記したようにヒータ温度変化等を図形表示するもので
ある。またこの表示装置62には、動作に異常が発生し
た時にエラー表示を行ってもよい。このエラー表示は別
に設けたLED(発光ダイオード)などを用いて表示し
たり警告ブザーを鳴らすようにしてもよい。
84などの機能を持つ。判定手段82は、ヒータ温度T
が設定温度T1,T2や予備加熱温度Tiなどに到達した
か否かを判定し、温度制御手段84はヒータ温度Tを制
御するものである。バス72にはまたメモリ手段86な
どが接続されている。
ち目標とするヒータ温度の時間に対する制御パターン
と、予備加熱温度Tiとを記憶する。この温度プロファ
イルのパターンおよび温度、時間や予備加熱温度Tiな
どは入力装置78により変更可能である。前記判定手段
82や温度制御手段84はCPU70とは別な回路で形
成してもよい。
でデータ伝送を行うためのインターフェースであり、例
えばRS−232C(Recomended Standard 232C)など
の直列データ伝送用の標準インターフェースを用いるこ
とができる。外部コントローラ90はこの接合装置を外
部から制御するためのコンピュータで形成される。この
外部コントローラ90は後記するように種々の信号をイ
ンターフェース88を介してこの接合装置との間で送受
信する。
示すように構成することができる。図7はそのブロック
図、図8は各部の出力波形図である。図7で42Aはラ
ンプ波発生回路であり、図8に示すランプ波(鋸歯状
波)Aを発生する。このランプ波Aは交流電源に同期す
るものであり、前記同期信号(SYNC)に同期する。
標とするヒータ電流Iに対応して電圧が変化する制御信
号CONをこの位相制御回路42に送る。この信号CO
Nと前記ランプ波Aとは比較器42Bで比較され、両者
の電圧が一致した時に位相信号PθがSCRドライブ回
路44に出力される。この結果SCRスタック38のS
CRが選択的にオンとなり、溶接トランス36の一次側
に図8にI1に斜線で示す範囲の電流が流れる。
iに対する時には高く、第1,第2設定温度T10,T20
に対応して次第に低くなる。このためヒータ電流Iは制
御電圧CONの昇降に応じて減少または増加する。
タイミング図を用いて説明する。この図9で一点鎖線で
示したP0は温度プロファイルである。この温度プロフ
ァイルP0は加熱時の目標温度を示すものである。図中
実線は実際のヒータ温度Tを示している。この実施態様
では2段階に加熱する。
えば200℃)や、第2段加熱における第2設定温度T
20(例えば280℃)が設定されている。また予備加熱
温度Tiも設定されている。これらの設定値もメモリ手
段86に記憶される。
して手動操作により用いる時には、まず図2に示すよう
にヒータチップ22の下にワークを置き、電源スイッチ
をオンとする(図9でパワーオン)。予備加熱モードを
図示しない選択スイッチにより選択すれば(予備加熱ス
タート信号SIDがオン)、予備加熱が開始され、ヒー
タ温度Tは例えば100〜150℃に保持される。
む。するとアクチュエート信号ACTがオンとなり、押
圧力制御手段68は圧力調整部66に信号を送りヒータ
チップ22を所定圧でワークに押圧させる。またこのア
クチュエート信号ACTのオンにより、CPU70はヒ
ータ温度Tを監視しながら、温度プロファイルP0と実
際のヒータ温度Tとの差を最少にするヒータ電流の位相
角θを求める。位相制御回路42はこの位相角θとなる
ようにSCRのゲートを制御する。
T10に到達すると、第1段加熱の加熱時間の起算を開始
する。そしてこの時間の経過時点から第2段加熱に入
る。CPU70ではヒータ温度Tが第2設定温度T20に
到達した時点から第2段加熱の加熱時間の起算を開始
し、この時間の経過時点で加熱終了(ヒートエンド)信
号HENDを出力し、ヒータ電流Iを遮断する。ヒータ
電流の遮断によりヒータ温度Tは下降開始する。前記メ
モリ手段86には、このヒータ温度下降時の半田凝固温
度よりも低い設定温度TSが予め設定され、判定手段8
2でヒータ温度Tがこの設定温度TSまで下降したこと
を検出すると、CPU70は、ヒータチップ22を上昇
させる。すなわちヒータチップ22はワークから離れ
る。ヒータ温度が下降を続けて予備加熱温度T i に達す
ると、予備加熱が再開され、ヒータ温度は予備加熱温度
T i に保持される。
ドの終了を指令するものであり、このSTOP信号の入
力された後は予備加熱が行われなくなる。RESET信
号はSTOP信号による予備加熱モードの停止を解除し
て再び予備加熱モードを選択する信号である。従ってこ
のRESET信号の後で再び動作開始信号OPERAT
IONが入力されると、予備加熱モードに戻り、予備加
熱が始まる。
である。外部コントローラ90により操作する場合は、
パワーオン信号PON、予備加熱モードスタート信号
SID、予備加熱終了信号STPID、加熱終了信号
HEND、アクチュエート信号ACT、STOP信号、R
ESET信号、OPERATION信号などは、外部コ
ントローラ90から送られる。また緊急停止が必要な場
合にはこの外部コントローラ90から信号が送られて接
合動作を緊急停止させることができる。この時接合途中
のワークの接合処理が終ってから停止させるようにした
り、接合途中にも拘わらず強制的に停止させるようにす
ることもできる。
プロファイルを持つが、1段加熱の温度プロファイルを
有する場合にも本発明は適用できる。例えば接合に必要
なヒータの設定温度が約280℃である場合には、予備
加熱温度を例えば150〜200℃に設定するのが望ま
しい。
ロファイルに従って複数の被接合部を順次接合する場合
に、複数の被接合部に対する接合処理の間であってかつ
ヒータが被接合部から離れている間で、ヒータを接合に
必要なヒータの設定温度より低いほぼ一定の予備加熱温
度に予め加熱して保持しておくものであるから、ヒータ
がワークに押圧される時間が短かくなり、ワークに伝わ
る熱量が減少する。このためワークに熱的障害が発生す
るのを防ぐことができる。またヒータ温度検出素子に繰
り返して加わる温度変化の範囲が小さくなるから、素子
の劣化を遅らせてその寿命を長くすることができる。
00〜200℃に設定しておくのが望ましい(請求項
2)。2段加熱の温度プロファイルを持つ場合には、こ
の予備加熱温度は第1段加熱の設定温度(第1設定温
度)よりも低い温度に設定するのがよい(請求項3)。
1段加熱の場合には予備加熱温度は150〜200℃に
設定するのがよい。
に直接使用するパルスヒート式接合装置が得られる。こ
の場合に外部コントローラから送られる外部信号により
コントロール可能にすれば、自動運転も可能になる(請
求項5)。緊急事態の発生時には外部コントローラから
緊急停止信号を送って接合装置を緊急停止させることも
可能になる。
Claims (5)
- 【請求項1】 被接合部にヒータを押圧して加熱すると
共に、ヒータ温度をフィードバックしてヒータ温度を予
め設定した温度プロファイルに追従させることにより複
数の前記被接合部を順次接合するパルスヒート式接合装
置に用いる制御方法において、 前記ヒータによる複数の被接合部に対する接合処理の間
であってかつ前記ヒータが前記被接合部から離れている
間で、前記ヒータを接合に必要な設定温度より低いほぼ
一定の予備加熱温度に加熱し保持しておくことを特徴と
するパルスヒート式接合装置の制御方法。 - 【請求項2】 接合に必要な設定温度は半田溶融温度よ
り十分高く設定され、予備加熱温度は100〜200℃
に設定されている請求項1のパルスヒート式接合装置の
制御方法。 - 【請求項3】 接合に必要な設定温度よりも低い第1設
定温度に加熱する第1段加熱と前記接合に必要な設定温
度より高温の第2設定温度に加熱する第2段加熱との2
段階に加熱する温度プロファイルを持ち、前記予備加熱
温度は前記第1設定温度よりも低く設定されている請求
項1または2のパルスヒート式接合装置の制御方法。 - 【請求項4】 被接合部にヒータを押圧し加熱すると共
に、ヒータ温度をフィードバックしてヒータ温度を予め
設定した温度プロファイルに追従させることにより複数
の前記被接合部を順次接合するパルスヒート式接合装置
において、 前記ヒータ温度を検出するヒータ温度検出手段と、 前記温度プロファイルおよび予備加熱温度を記憶するメ
モリ手段と、 前記ヒータによる複数の被接合部に対する接合処理の間
であってかつ前記ヒータが前記被接合部から離れている
間で前記ヒータ温度を常にほぼ一定の予備加熱温度に保
持すると共に前記温度プロファイルに従ったヒータ温度
に制御する温度制御手段とを備えることを特徴とするパ
ルスヒート式接合装置。 - 【請求項5】 請求項4において、外部コントローラと
の間で信号の送受信を行うデータ伝送用インターフェー
スを備え、前記外部コントローラから送られる外部信号
によってコントロール可能にしたことを特徴とするパル
スヒート式接合装置。
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JP22206197A JP3280890B2 (ja) | 1997-08-05 | 1997-08-05 | パルスヒート式接合装置およびその制御方法 |
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JP22206197A JP3280890B2 (ja) | 1997-08-05 | 1997-08-05 | パルスヒート式接合装置およびその制御方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH1154906A JPH1154906A (ja) | 1999-02-26 |
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JP22206197A Expired - Fee Related JP3280890B2 (ja) | 1997-08-05 | 1997-08-05 | パルスヒート式接合装置およびその制御方法 |
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