CN1334167A - 电阻焊电源装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电阻焊电源装置,其包括用于以电荷形式储存电阻焊能量的电容器、用于给电容器充电到预定电压的充电电路、电连接到电容器和一对焊接电极之间的四个开关元件或装置、以及用于在焊接时间内允许开关元件选择性开关工作的控制单元以提供焊接电流的控制。二极管分别与开关元件并联,与其电流极性相反。控制单元在很短时间内中止用于极性转换的转换暂停时段,并在焊接电流回落的中间开始下一个电流供给模式的开关控制。

Description

电阻焊电源装置
本发明一般涉及一种用于电阻焊的电源装置，且更具体地说，涉及设计用于将AC波形的焊接电流供给工件的极性转换电源装置。
流过AC波形焊接电流的电流供给***在两点同时接合的电阻焊接(串焊)中近来很盛行，所述串焊主要应用于诸如电子元件的小金属片形式的工件中。首先参照图9A到9D，图中示出了基于这种电流供给***的串焊的示例。
在图9A到9D的串焊中，一对焊接电极10和12以一定间隔位置邻靠在工件W1和W2的表面上并通过来自未示出的压力机构的压力与工件W1和W2压力接触。在该串焊中，在焊接电流以正向流动的单独正电流供给和焊接电流以负方向流动的单独负电流供给之间转换。
在前半段的正电流供给(时段TA)中，焊接电流IW以正向流过从焊接电极10经由工件W1、第一焊接点Pa、工件W2、第二焊接点Pb并再次经过工件W1到达如图9A所示的焊接电极12的路径。在该时刻，在焊接点Pa，焊接电流IW从工件W1向工件W2流动，而在焊接点Pb，焊接电流IW从工件W2向工件W1流动。结果，例如在第一焊接点Pa产生吸热的珀尔贴效应，在第二焊接点Pb产生产热的珀尔贴效应。从而，在这个正电流供给中，如图9B所示，在第二焊接点Pb处的点核Nb可以以比在第一焊接点Pa处的点核Na快的增长速率增长。在此时，两个点核Na和Nb之间的尺寸不同可以取决于例如工件W1和W2的材料和厚度、焊接时段TA的长度和焊接电流IW的电流值。
在后半段的正电流供给(TB)中，焊接电流IW如图9C所示以负向流过从焊接电极12，工件W1、第二焊接点Pb、工件W2、第一焊接点Pa以及再次到工件W1，到焊接电极10的路径。在该时刻，在焊接点Pa，焊接电流IW从工件W2到工件W1流动，而在焊接点Pb，焊接电流IW从工件W1向工件W2流动。结果，在第一焊接点Pa发生产热的珀尔贴效应，而在第二焊接点Pb发生吸热的珀尔贴效应。由于此原因，在该负电流供给中，在第一焊接点Pa处的点核Na以比在第二焊接点Pb的点核Nb快的增长速度增长。
从而，通过鉴于用于先前的正极电流的焊接时段TA设定用于随后的负极电流的焊接时段TB，有可能在焊接时段TB中止时对在第一焊接点Pa的点核Na和在第二焊接点Pb处的点核Nb提供大致相同的增长率。
通过使焊接电流IW在正向流动的正电流供给和焊接电流在负向流动的负电流供给交替，有可能消除珀尔贴效应，而在工件W1和W2上两个焊接点Pa和Pb以大致均匀的焊接强度获得同时接合。
用于这种串焊中的传统的极性转换电阻焊电源装置易于遭受焊接点处显著的温度降低，其可能在电流极性转换或焊接电流极性转换时发生。
作为示例，在传统的AC波形逆变器电源装置中，如图10所示，电流供给被暂停直到在正电流供给(时段TA)中的逆变器转换操作中止后正向焊接电流IW切断，因此在负电流供给(时段TB)中的逆变器转换操作可以从无电流(IW＝0)状态开始，以导致焊接电流IW在负向产生。由于逆变器电源装置具有介于逆变器输出端子和焊接电极之间的变压器，逆变器趋于面对相当大的负载电感，以及在逆变器操作停止刚好后需要相当长的时间(例如250μs)以用于焊接电流IW的下降，使其难于减少下降时间TH。
因此，由于用于焊接电流IW的下降的相当长的时间消耗，以及下一个相反极性电流起始的延迟，在焊接部位(尤其是在焊接点Pa和Pb附近)的电阻加热温度在该时段可能显著下降，且热效率降低，这可能对焊接质量带来不利影响。尤其是，在应用与精密小尺寸电子元件形式的工件上的串焊中这个问题很严重。
本发明鉴于现有技术中所包含的问题而提出，因此本发明的目的是提供一种极性转换(AC供给)电阻焊电源装置，其能够使在极性转换时的电流基本暂停时间最小化，以及有可能提高电阻焊的热效率并改善焊接质量。
为了获得上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有一对焊接电流通过其流动的焊接电极的电阻焊电源装置，该对电极适于与工件压力接触，以电阻焊接该工件，所述电阻焊电源装置包括用于以电荷形式储存电阻焊能量的电容器；布置以给电容器充电的充电装置；具有电连接到该对电极的一个上的第一端子且具有电连接到电容器的第一电极上的第二端子的第一开关装置；具有电连接到该对焊接电极的另一个上的第一端子以及电连接到电容器的第二电极的第二端子的第二开关装置；具有电连接到该对焊接电极的另一电极的第一端子并具有电连接到电容器的第一电极的第二端子的第三开关装置；具有电连接到该对焊接电极的一个电极上的第一端子并具有电连接到电容器的第二电极的第二端子的第四开关装置；以及电连接到第一、第二、第三和第四开关装置的相应控制端子的控制装置，在焊接电流以第一方向流过工件的第一电流供给模式中控制装置提供了第一和第二开关装置的开关控制，并同时保持第三和第四开关装置处于关状态，在焊接电流以第二方向流过工件的第二电流供给模式中控制装置给第三和第四开关装置提供开关控制，而同时保持第一和第二开关装置处于关状态，在第一和第二电流供给模式之间的转换时控制装置在基于先前电流供给模式的焊接电流降低的过程中开始接着的电流供给模式的开关控制。
在本发明的电阻焊电源装置中，第一到第四开关装置电连接到焊接电极上，而没有焊接变压器的介入，因此，当从开关装置看去时在负载侧存在较小的电感。由于这个原因，在电流供给或焊接电流的转换时，很容易中断或加速在先前电流供给中的焊接电流的降低，使其瞬时转换到接着的电流供给模式。从而，通过在焊接电流下降中期开始用于接着的电流供给的开关控制，有可能立即转换焊接电流的极性或电流流动的方向以及重新开始工件的能量供给。
本发明的电阻焊电源装置可以进一步包括与第一到第四开关装置并联的二极管，每个二极管被连接以使电流的相反极性与第一到第四开关装置的相应一个的极性相连。这种结构使在每个电流供给模式中当开/关操纵开关装置从开状态被关闭时焊接电流的空程(freewheeling)电流快速通过二极管。
优选地是，控制装置包括开关控制装置，其在第一电流供给模式中，以预定频率反复开/关第一和第二开关装置中的一个，同时保持第一和第二开关装置的另一个为开状态；该开关控制装置在第二电流供给模式中反复开/关第三和第四开关装置中的一个，而保持第三和第四开关装置的另一个为开状态。这种结构也在其他开/关操纵开关装置从关状态开启时使焊接电流的空程电流快速通过在开状态的开关元件。
在本发明的电阻焊电源装置中，开关装置每个可以包括单独的开关晶体管或多个并联的开关晶体管。
本发明的上述和其他的目的、方面、特征及优点将从以下参照附图的详细描述中显而易见，其中：
图1是示出根据本发明实施例的电阻焊电源装置的结构的电路图；
图2是示出在本实施例的电源装置各部分的电流或信号的波形的波形图；
图3是示出电流供给电路的电路图，通过该电路焊接电流在本实施例的电源装置的一个开关状态流动；
图4是示出电流供给电路的电路图，通过该电路焊接电流在本实施例的电源装置的一个开关状态流动；
图5是示出电流供给电路的电路图，通过该电路焊接电流在本实施例的电源装置的一个开关状态流动；
图6是示出电流供给电路的电路图，通过该电路焊接电流在本实施例的电源装置的一个开关状态流动；
图7是示出电流供给电路的电路图，通过该电路焊接电流在本实施例的电源装置的一个开关状态流动；
图8示出了在本实施例的电源装置中在一焊接时段内焊接点处温度的时间特性(波形)；
图9A到9D是基于极性转换***的串焊的解释性视图；
图10示出了在传统的电阻焊供能***中焊接时段内在焊接点处温度的时间特性(波形)。
本发明将参照图1到9加以描述，图中以非限定形式示出了本发明优选
实施例。
首先参照图1，示出了根据本发明实施例的电阻焊电源装置的结构。电阻焊电源装置包括用于以电荷形式储存电阻焊能量的大容量电容器14，用于将电容器14充电到预定电压的充电回路16，电连接到电容器14和一对焊接电极10和12之间的四个开关元件或装置Q1、Q2、Q3及Q4，以及控制单元18，以在焊接电流供给期间允许选择性的开关操作以提供焊接电流IW的控制。焊接电极10和12耦合到未示出的压力机构上以便在焊接工作中他们可以与工件(W1和W2)压力接触。
每个开关元件Q1到Q4可以由单独或多个并联的开关晶体管，例如FET(场效应管)构成。第一开关元件Q1具有电连接到焊接电极10上的一个端子，而另一端子电连接到电容器14的正极端子。第二开关元件Q2具有电连接到焊接电极12上的一个端子，而另一端子电连接到电容器14的负极端子上。第三开关元件Q3具有电连接到焊接电极12上的一个端子，而另一端子电连接到电容器14的正极端子上，第四开关元件Q4具有电连接到焊接电极10上的一个端子，而另一端子电连接到电容器14的负极端子上。与开关元件Q1、Q2、Q3和Q4分别并联的是二极管D1、D2、D3和D4，他们的电流的极性与相应开关元件的相反。
第一到第四开关元件Q1、Q2、Q3和Q4分别独立地被第一到第四开关控制信号S1、S2、S3和S4开关(开/关)控制，该信号通过驱动回路20从控制单元18供给。如稍后将描述的，在在焊接电流IW以正向流过工件(W1和W2)的正电流供给模式中，第一和第二开关元件Q1和Q2被以预定时间开/关控制，而第三和第四开关元件Q3和Q4保持关。在焊接电流以反方向流过工件(W1和W2)的负电流供给模式中，第三和第四开关元件Q3和Q4以预定时间开/关控制，而第一和第二开关元件Q1和Q2保持关状态。
控制单元18由例如微处理器(CPU)或专用逻辑电路构成以遵循预定的程序或步骤提供诸如电流供给序列控制、恒电流控制以及电容器充电控制的元件的控制。控制单元18从包括键盘等的输入单元22接收各种设定值，并从时钟电路24接收100kHz时钟信号CK以用于电流供给控制。
为了在恒流控制中反馈焊接电流IW，作用为电流传感器的环形线圈26配装到在开关电路(Q1到Q4)和焊接电极10和12之间延伸的一个导体上，以便基于电流传感器26的输出信号，电流测量电路28可以得出电流测量值，例如对于开关频率的每个周期的焊接电流IW的有效值或平均值，并且将如此获得的电流测量值MIW赋予控制单元18。
充电电路16经由升压变压器32从AC电源线路30接收工业用频率的单相供电电压E。充电电路16可以由用于将来自变压器32的单相AC电压整流为DC电压的单相整流电路构成，该整流电路带有用于充电、并置于整流电路的输出端子和电容器14之间的开关电路，以便以更精确的方式可变地控制电容器14的充电电压。为了充电控制，可进一步提供例如未示出的电压测量装置，其测量电容器14的充电电压。
电阻焊电源装置可以便利地应用于两点同时接合的电阻焊(串焊)中。然后参照图2到8，将描述应用于串焊时其的操作功能。
作为示例，在执行与图9中类似的串焊的情况下，输入单元22和控制单元18将用于单次电阻焊接的焊接时段分为两个焊接时段，即，正电流流过的第一焊接时段T1和负电流供给模式起作用的第二焊接时段T2，以及介于两个焊接时段T1和T2之间的用于极性转换的开关暂停时段TP(图2)。
这个实施例的开关暂停时段TP设定为远短子在第一电流焊接时段T1内正电流供给的开关操纵中止后保持所有的开关元件Q1到Q4为关状态时，正焊接电流IW下降到大致0数量级(在图2的虚线所示的波形)所需的时段TP(例如200μs)的时间(例如10μs)。
当如图9内所示用与工件(W1和W2)压力接触的焊接电极10和12开始供给焊接电流时，在第一焊接时段T1，控制单元18以正电流供给模式提供了开关控制。更具体地说，控制单元18连续将第二开关控制信号S2设为高，而以时钟信号CK的周期TCK以脉宽可变方式间断地将第一开关信号S1设为高，同时保持第三和第四开关控制信号S3和S4低。结果，第二开关元件Q2保持开，而第一开关元件Q1反复地以周期TCK开关控制，第三和第四开关元件Q3和Q4保持关。
当第一开关元件Q1在每个开关周期TCK内开时，如图3所示，焊接电流IW以正向通过从电容器14的正电极经过第一开关元件Q1、焊接电极10、工件(W1和W2)、焊接电极12以及第二开关元件Q2到电容器14的负极延伸的路径流动。相反，即使当第一开关元件Q1关时，如图4所示，焊接电流以正向流过起始于焊接电极10、通过工件(W1和W2)、焊接电极12、第二开关元件Q2以及第四二极管D4并返回到焊接电极10的回路。在此时焊接电流IW基于存储在包含焊接电极10和12以及工件(W1和W2)的负载电路的电感内的电磁能量流过封闭的电路，很少或大致没有焊接电流流过电容器14。
在每个开关周期TCK内第一开关元件Q1的开启时间(脉宽)可以通过脉宽调制(PWM)的控制而变化，以便使焊接电流IW通过恒流控制符合预定的电流设定值。
控制单元18计算第一焊接时段T1的时间，并在其结束时刻(t1)中止上述正电流供给模式开关控制，将第一和第二开关控制信号S1和S2设低，并将第一和第二开关元件Q1和Q2置为关位置。在此时(t1)其暂时关闭所有开关元件Q1到Q4。从而进行从正电流供给模式转换到开关暂停时段TP。
在开关暂停时段TP，如图5所示，焊接电流IW以正向流过起始于焊接电极10、经过工件(W1和W2)、焊接电极12、第三二极管D3、电容器14的正极、电容器14的负极以及第四二极管D4、并返回到焊接电极10的封闭回路。在此时焊接电流IW也为基于存储在包含焊接电极10和12以及工件(W1和W2)的负载电路的电感中的电磁能量的空程电流，该焊接电流作用为电容器14的充电电流。电能供给装置在开关电路和焊接电极之间不包括任何变压器，并因此负载电路的电感比逆变器电能供给装置的小很多。于是，空程电流快速给电容器14充电，以在电流一停止后就马上消除，因此焊接电流IW的下降比逆变器电能供给装置的快很多。
此外，这个实施例的控制单元18在极短时间(例如10μs)中止开关暂停时段TP，并在时刻(t2)在第二焊接时段T2内在焊接电流IW下降的中部开始负电流供给模式开关控制。在该负电流供给模式中，控制单元18连续将第四开关控制信号S4设为高，而在时钟信号CK的周期TCK内通过与上述类似的PWM控制以脉宽可变方式间歇地将第三开关信号S3设为高，而同时保持第一和第二开关控制信号S1和S2低。结果，第四开关元件Q4保持开，而第三开关元件Q3以周期TCK由PWM控制而反复地开-关，且第一和第二开关元件Q1和Q2保持关。
当第三和第四开关元件Q3和Q4在第二焊接时段T2开始后马上开启时，焊接电流又以负方向流动。
更具体地说，如图6所示，焊接电流IW以负方向通过从电容器14的正极经由第三开关元件Q3、焊接电极12、工件W1和W2、焊接电极10以及第四开关元件Q4，而到达电容器14的负极延伸的路径流过工件W1和W2。
当第三开关元件Q3关闭时，如图7所示，由负载电路的电感产生的空程电流作为负焊接电流IW流过起始于焊接电极12、通过工件W1和W2、焊接电极10、第四开关元件Q4以及第二二极管D2，并返回到焊接电极12的封闭回路。
类似地，在第二焊接周期T2之后的每个开关周期TCK内，当第三开关元件Q3为开时焊接电流IW以负向流过图6的电流供给回路，并当第三开关元件Q3为关时，也以负向流过图7的空程回路。
应指出，仅在第二焊接时段T2开始后，可用两个或多个开关周期TCK以用于焊接电流IW从正极向负极的反转。
控制单元18计算第二焊接时段T2的时间，在其结束时刻(t3)中止上述负电流供给模式开关控制，将第三和第四开关控制信号S3和S4设为低，并将第四和第四开关元件Q3和Q4都置为关位置。这暂时地关闭了所有的开关元件Q1到Q4，以将焊接电流中止。
在图9的串焊中，在如上所述的珀尔贴效应的影响下，在正电流供给下，在第二焊接点Pb的点核Nb以比第一焊点Pa处的点核Na快的增长速率增大，而在负电流供给下，在第一焊点Pa处的点核Na以比在第二焊接点Pb的点核Nb块的增长速度增大。而在本实施例的电源装置中，通过以完全平衡方式设定两个极性的焊接时段T1和T2为适宜的长度，可以消除珀尔贴效应的影响，因此分别在焊接点Pa和Pb的点核Na和Nb可以增长到大致相同的尺寸。
此外，在本实施例的电源装置中，如上所述，开关暂停时段Tp可以通过在下降阶段开始负极性电流的开关控制而设定为极短的时间(例如10μs)，优选地恰好在由正电流供给的正焊接电流在从先前的正电流供给模式向接着的负电流供给模式转换时而开始下降后进行。由于这个，如图8所示，在电流极性转换时在焊接点(尤其是在焊接点Pa和Pb附近)的温度降低可以被减小到尽可能小的水平。
以这种方式，在焊接点的温度可以在整个焊接时间内稳定保持，因此电阻焊的热效率可以显著提高。这种热效率的提高使用于获得理想点核或焊接长度的焊接时段(T1、T2)能够被设定得比以前短，并改善了焊接质量以及节省了电能。根据本发明的技术，尤其在工件(W1、W2)是精密的小尺寸金属件或元件，以如图9所示的串焊的情况下，可以获得特别显著的效果。
虽然在上述实施例中，整个焊接时间的前半段被指定为正电流供给模式，而其的后半段被指定为负电流供给模式，该顺序可以倒转，以将前半段指定为负电流供给模式，而后半段指定为正电流供给模式。以相同极性开关控制的成对的开关元件Q1、Q2和Q3、Q4之间的关系可以进行各种修改。例如，在正电流供给模式中，第二开关元件Q2可以在预定的频率下开/关，而同时保持第一开关元件Q1为开状态。另外，两个开关元件Q1和Q2可以在相同时序被开/关。在这种情况下，在正电力供给的每个开关周期TCK，在两个开关元件Q1和Q2同时开时焊接电流IW以正向流过图3的电流供给电路，而在两个开关元件Q1和Q2同时关时，流过图5的空程电路。
虽然在上述实施例中二极管D1到D4分别与开关元件Q1到Q4并联，可以只单独提供开关元件Q1到Q4以用于空程电流。例如，电流流过图4中的二极管D4，而开关元件Q4在此时可以开启。
本发明的电阻焊电源装置可以应用于除图9中的串焊之外的各种形式的电阻焊，而AC波形的电流供给周期可以具有不只一个的理想周期。
虽然上述实施例采用了用于开关元件Q1到Q4的开关控制的恒流控制***，可以采用恒压控制***、恒功率控制***等，以提供穿过焊接电极的电压或功率的恒定控制。
跟据本发明的电阻焊电源装置，如上所述，在极性转换时电流基本中止时间可以尽可能减小，并提高了电阻焊的热效率以及改善焊接质量。
在说明性的本发明优选实施例在此详细描述的同时，应理解，本发明的概念可以以各种形式实施及采用，并且所附的权利要求书用于包括这些变动，除了由现有技术所限定的范围以外。

Claims (4)

1.一种电阻焊电源装置，具有一对焊接电流从其通过的焊接电极，所述对焊接电极适于与工件压力接触，以电阻焊接所述工件，所述电阻焊电源装置包括：
用于以电荷形式储存电阻焊能量的电容器；
布置以给电容器充电的充电装置；
具有电连接到所述对焊接电极的一个上的第一端子且具有电连接到所述电容器的第一电极上的第二端子的第一开关装置；
具有电连接到所述对焊接电极的另一个上的第一端子以及电连接到所述电容器的第二电极的第二端子的第二开关装置；
具有电连接到所述对焊接电极的所述另一电极的第一端子并具有电连接到所述电容器的所述第一电极的第二端子的第三开关装置；
具有电连接到所述对焊接电极的所述一个电极上的第一端子并具有电连接到所述电容器的所述第二电极的第二端子的第四开关装置；以及
电连接到所述第一、第二、第三和第四开关装置的相应控制端子的控制装置，在焊接电流以第一方向流过工件的第一电流供给模式中所述控制装置提供了所述第一和第二开关装置的开关控制，并同时保持所述第三和第四开关装置处于关状态，在焊接电流以第二方向流过工件的第二电流供给模式中所述控制装置给所述第三和第四开关装置提供开关控制，而同时保持所述第一和第二开关装置处于关状态，在所述第一和第二电流供给模式之间的转换时所述控制装置在基于先前电流供给模式的所述焊接电流降低的过程中开始接着的电流供给模式的开关控制。
2.如权利要求1所述的电阻焊电源装置，还包括：与所述第一到第四开关装置并联的二极管，每个所述二极管被连接以使具有与所述第一到第四开关装置的相应一个的相反极性的电流极性。
3.如权利要求1或2所述的电阻焊电源装置，其中，所述控制装置包括开关控制装置，在所述第一电流供给模式中，其以预定频率只反复开/关所述第一和第二开关装置的一个，而同时保持所述第一和第二开关装置的另一个为开状态，所述开关控制装置在所述第二电流供给模式中，只反复开/关所述第三和第四开关装置的一个，而同时保持所述第三和第四开关装置的另一个在开状态。
4.如上述权利要求中任一项所述的电阻焊电源装置，其中，所述第一到第四开关装置各自由单独的开关晶体管或多个并联的开关晶体管构成。
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