電阻焊接方法及實現該方法的裝置的製作方法
2023-06-01 05:14:41
專利名稱：電阻焊接方法及實現該方法的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用由初級交流電壓產生並通過脈寬調製受控以周期性半波脈動(尤其是交流)的焊接電流進行電阻焊接的方法。
本發明還涉及用於實現該方法的裝置，它具有一個靜態變頻器，所述靜態變頻器具有一個直流中間級電路以及一個用作輸出級的斬波器，該斬波器產生初級交流電壓並將它傳送到次級電路連接到電阻焊接機的焊接電極的焊接變壓器。
這種方法和裝置可從EP-A2-0 260 963獲知，下文將作更詳細的討論。
在用於縱向電阻縫焊保存罐或類似物之本體的搭接邊緣的一種已知縫焊裝置(EP-A1-0 261 328)中，將三相電源交流電壓轉換為直流電壓，直流電壓被平滑和轉換為有交變極性的脈衝電壓。該脈衝電壓施加於縫焊裝置的焊接電極。脈衝電壓的頻率是這樣選擇的，即所得到的焊接電流是連續的，為此在每種情況下由脈衝電壓的矩形半波之一產生的各個點焊熔核或焊點彼此搭接。由於焊接電流半波各自是由脈衝電壓的半波產生的，焊接電流的波形取決於脈衝電壓半波的持續時間。當調節焊接電流時，如果該脈衝持續時間在半波期間內發生變化，這導致焊接電流波形上相當大的變化，這種變化必定認為是缺點。假若焊接電流形式不取決於機器參數，因而不由機器參數所決定，但可以為了使焊接結果最佳而對焊接電流進行預選，則會相當有利。
而且，在已知的縫焊裝置中，控制每焊點電流的焊接電流調節器在各種情況下以先前焊點的已測定值工作。調節器的反應時間(也由調節器控制的校正裝置確定)因此較長(對於500Hz焊接頻率，反應時間達1ms)。因此，調節器不能校正焊接參數的快速變化(例如，汙染的金屬板表面)。為了改進這種已知縫焊裝置的調節能力，因而要求縮短調節器的反應時間。為此，轉換頻率可以設想增加某一個因子。但是，結果焊接電流的頻率因此也增加該因子。由於縫焊裝置的強電感性負載的結果，因為阻抗與頻率成正比地增長，焊接電壓減小一個因子，該因子等於開關頻率所增加的因子的倒數。為對這進行補償，已知縫焊裝置的變頻器及焊接變壓器的電壓和功率必須增加與轉換頻率所增加的相同因子。此外，不會再滿足焊接頻率應與焊接速度保持在一定比值上的要求。在該已知縫焊裝置中，由於調節器反應時間長，焊接參數、比如例如焊點的接觸電阻(焊接材料的表面質量)、焊接材料的材料性質等不能足夠快地加以考慮，也沒有可能使焊接電流波形適應不同的焊接條件，例如滿足處理不同材料的要求。
前述EP-A2-0 260 963提出利用高頻電流源，以便使利用較小焊接變壓器成為可能。由於這對必要的晶閘管相位控制帶來問題，通過在相位控制期間的一個半波內使用事先已根據以前半波的測定值計算的預計算值進行焊接電流的前饋或正向控制。從該公布文件得知的裝置也不是在所有工作狀態下都能令人滿意地工作，因為焊接電流在焊點照樣僅接通和斷開一次。由於此處調節器在各種情況下也是以先前焊點的測定值操作，調節器的反應時間較長。如果在脈寬調製期間脈衝寬度改變，焊接電流波形也改變，由於這一原因焊接電流不適於特殊材料或特殊工作狀態。
況且，為兩個已知裝置所共有的是，僅將焊接電流的二次平均值作為其實際值來測量，因此僅能夠控制焊接電流的這種平均值。由於這個原因，將焊接電流的恆定平均值預置為標稱值。
無級控制正弦交流電流幅值的裝置已從CH-A5-668842得以了解。在交流電流的各半波的可變部分上，可將可控電路元件從阻斷狀態轉移到傳輸狀態。無疑，從而提供一種用電子學方法可控可調的變壓器，這種變壓器實際上是沒有延時的，但此處影響焊接電流的可能性也限制於每半波一個轉換過程。為此，在這種情況下也不可能獲得更快的調節時間。
DE-C2-30 05 083描述了製造縱向縫焊圓形物體的方法，其中為了獲得連續不間斷的焊縫，焊接電流的幾乎為矩形的一個半波的持續時間適合於傳輸焊接電極輥之間的物體所用的時間，為此焊接操作期間所需的能量可通過將高頻電流分量疊加在焊接電流上而直接進行控制。通過疊加高頻電流分量而調節的可能性不僅對於調節範圍而且對調節時間自然是受到限制的。
最後，例如由Soudronic出版物「電阻焊接」MDI 00188D，第9和第10頁可知，專家熟悉藉助於相移控制來改變焊接電流強度。遺憾的是，在各種情況下焊接電流波形也改變。如果在變化的負載條件下焊接電流保持不變，上述情況同樣適用，因為在兩種情況下相移角度均須改變。而且，焊接變壓器初級交流電壓的相移控制產生中斷的焊接電流，這同樣是有害的。
本發明的目的是提供用於實現前述類型的過程的方法和裝置，由此可容易地使焊接電流波形適合於處理不同材料的需要。而且，旨在使該方法和裝置適宜於焊接電流的快速調節，直至保證調節。
源於前述類型的方法，按照本發明來解決問題，其中初級交流電壓在脈寬調製期間各半波以斬波頻率進行斬波，該頻率是焊接電壓頻率的倍數，以便產生確定的焊接電流波形。
源於前述類型的裝置，按照本發明利用控制裝置進一步解決該問題，藉助於該控制裝置可控制斬波器對初級交流電壓的多次斬波。
因此，雖然在以上提出的現有技術中，在脈寬調製期間的各半波上初級交流電壓僅被斬波一次，但是按照本發明，可對初始交流電壓斬波n次，其中n＞1。如果按最佳方式實現調節，可獲得短的調節時間，因為可在每半波實現焊接電流的若干標稱-實際值比較並因此可在脈寬調製過程中重複地影響佔空係數。由於斬波頻率相應地是焊接電流頻率的倍數，在各焊點過程獲得快速調節。這使得調節器能夠校正焊接參數的快速變化(例如，從汙染的金屬板表面)。對初級交流電壓進行斬波形成的脈衝的形式在各半波上近似為矩形。佔空係數、即脈衝寬度/脈衝間隔可在寬的範圍內變化。由此可直接影響初級交流電壓的平均值，且可按要求預設並由此可變地形成電流波形，這在現有技術中是不可能的。如以上所說明的，在那裡它被系統所影響(例如，在相移控制期間)或被確定。儘管以上闡述的現有技術中的斬波頻率或者被確實(例如在相移控制期間)，或至多等於焊接頻率，但在按照本發明方法和裝置中它是焊接頻率的倍數。然而通過簡單控制斬波無需調節也能產生簡單選擇所要求的焊接電流波形的優點。儘管調節仍為最佳。
在一個最佳裝置中，存儲器至少含有焊接電流曲線每半波的n個標稱值，在焊接電流的調節期間這n個標稱值與每半波確定的n個電流實際值中的每個進行比較，以便獲得在脈寬調製期間能夠影響佔空係數的設定值。
因此該方法和裝置具有下列優點，尤其對於最佳的具體實施例而言焊接頻率是可變的，斬波頻率是焊接頻率的可選倍數;
電流波形是可以預選的，因而是可變的，並且基本上不被焊接電流調節過程中佔空係數的修正所改變;
如果工作期間不要保持預選的焊接電流波形，則通過調節程序、即通過對佔空係數的影響相應地校正電流波形;
保存在存儲器中的焊接電流波形可按要求選擇，即以矩形、正弦或梯形形式，例如具有傾斜脈衝頂部的梯形或帶駝峰或凹谷的梯形(取決於一個焊點內需要的熱能平衡，一個焊點內的加熱相及冷卻相能控制得越好，焊接操作即可控制得越好，以致以前認為不可焊接的材料、比如例如鍍鉻部件現在藉助於本發明也可進行焊接);
調節器的反應時間明顯比現有技術中更短，因為在一個半波內焊接發生n次，並在各種情況下均對電流進行調節。
用按照本發明選擇成對應於焊接頻率倍數的高斬波頻率來獲得這些優點。
本發明的有益設計構成所附權利要求書的主題。
在根據本發明的一種設計中，將斬波頻率選擇為焊接電流頻率的20倍，例如，產生500Hz的焊接頻率，10KHz的斬波頻率。固定地預選該斬波頻率然後保持其不變。在焊接電流的調節期間僅僅改變佔空係數。在根據本發明上述設計的實例中，對初級交流電壓的每半波斬波10次。
在藉助於標稱值表預選焊接電流形式的本發明另一設計方案中，以可選擇的標稱值表記下各焊接電波形。因此，例如，為正弦電流波形存儲一個標稱值表，為矩形電流波形以及梯形電流波形等也各存儲一個標稱值表。
在變頻器的斬波器包含用電晶體作為電路元件且續流二極體並聯於電晶體的電橋電路的本發明再一設計中，可最容易地實現本發明的調節方法，因為用於作為電路元件的電晶體具有特別短的開關時間。
在本發明的又一些設計方案中，可在存儲器中獲得可通過輸入端選擇的各要求的焊接電流波形的標稱值表;或者通過，可調焊接頻率輸入可在存儲器的各標稱值表中為各焊接頻率(fs)選擇子表;或者在存儲器中可獲得各焊接頻率的對應於所要求的焊接電流波形的標稱值表。特定子表或標稱值表適用於各焊接電流波形和/或頻率。因此，較低焊接頻率比起較高焊接頻率每半波可獲得更多標稱值。
在本發明的其它一個設計方案中，調節器包含PID調節電路，該PID調節電路配備有前饋迴路，對表中的各電流標稱值存儲著向後續電流標稱值的變化值，並將其提供給PIP調節電路的輸出作為前饋值。可以極其充分地利用調節器的短反應時間，因為電流標稱值及相鄰電流標稱值之間的相應變化能夠預先方便地算出並存儲在表中。最好將焊接電流曲線的一次導數存儲作為相鄰電流標稱值之間的變化量。這給它帶來如下優點，調節可預先出現，即可從開始就基本上避免調節過程中的過調，因為根據存儲的變化量事先就知道下一電流標稱值位於何處。
在本發明的另外一個設計方案中，一個乘法器連接於存儲器，該乘法器用能通過調節器的可調電流標稱值輸入端輸入的選擇因子乘以表的標稱值;該乘法器還有另外的輸入端，通過這些另外輸入端可以手動或由疊加的焊接機控制系統來輸入其它因子。可以簡單的方式即通過用表的已存儲標稱值乘以可按要求饋給的相應因子來獲得焊接電流的所要求幅值。
本發明還涉及用以周期半波脈動的電流尤其是交變焊接電流進行電阻焊接的方法。至今，這種焊接用正弦電流的已經出現。在白鐵皮焊接中，對非常薄的金屬板和/或很輕微鍍錫的金屬板的焊接日益出現問題。特別是在罐(白鐵皮容器)的焊接中，這些金屬板可能帶來其生產技術難於控制的問題。該方法也應用於未塗錫的黑鋼板，特別是鍍層金屬薄板，更具體地說即鍍鉻金屬薄板的焊接。至今，已濃度用正弦焊接電流的不同焊接電流幅值和焊接電流頻率來克服這些問題，但結果一直不能令人滿意。
因此，作為本發明基礎的問題是要使薄和/或輕微鍍錫的金屬薄板及其它金屬薄板的焊接成為可能。在非常窄的容許帶寬內，特別要使焊接期間的能量供應成為可能，以便避免濺射(太高的能量供應)或搭接縫隙(太低的能量供應)。
按照本發明，這可用前面所述的、其中的焊接電流不同於正弦形的方法來達到。
因為焊接電流的各個半波可具有任何形狀，對最佳焊接的焊接部位的確實必需的能量供應是可能的。通過電流的變化過程，為了在焊接部位形成所需要的電阻而對焊接部位的必要加熱和冷卻可得到很好地控制，至今這一直是不可能的。
下面參見附圖更為詳細地描述本發明的典型實施例。
圖1示出具有用於調節焊接電流的本發明裝置的電阻縫焊機的電路圖，圖2示出本發明裝置在虛線Ⅱ-Ⅱ以上所示的部分的更詳細的電路圖，圖3示出如圖1中方塊所示的調節器的詳圖，圖4示出脈寬調製的焊接變壓器初級交流電壓以及出現的正弦焊接電流的第一實例，圖5示出以不同於圖4的方式斬波的脈寬調製的初級交流電壓的第二實例，圖6示出產生梯形焊接電流用的脈寬調製的初級交流電壓的第三實例，圖7a-7c示出具有傾斜的脈衝的頂部的預選梯形焊接電流的各種演變，圖8a-8c示出脈衝頂部有一個或多個駝峰的可預選梯形焊接電流的各種實例，圖9a-9c1示出脈衝頂部有一個或多個駝峰的可預選梯形焊接電流的各種實例，圖10示出可預選的三角形焊接電流的實例，圖11示出可獲得要求的焊接電流波形的電阻縫焊機的電路圖，
圖12示出圖11中線Ⅱ-Ⅱ之上所示調節器的更詳細的圖示，圖13示出如圖11中方塊所示的調節器的詳細圖示，圖14至40示出各種最佳電流波形。
圖1示出用於縱向縫焊輥狀焊接電極10和12之間未示出之圓形罐體的電阻縫焊機的簡化電路圖。該電阻縫焊機具有一個靜態變頻器14，靜態變頻器14由線路L1-L3表示的電源供電，以及具有一個通過常規直流中間級電路14C連接到設計作為斬波器的輸出級14b的輸入級14a。輸出級14b連接到焊接電流變壓器16的初級電路，將初級交流電壓Up輸送至初級電路。焊接變壓器16的次級電路連接到焊接電極10和12。
按照圖2中的擴展電路圖，靜態變頻器14的輸入級14a具有一個三相整流器，其同時構成直流中間級電路14c的輸入，直流中間級電路14c一般是已知的，因為它對本發明各種情況而言是不重要的，故無需進行詳細描述。如圖2所示，變頻器14(圖1)的輸出級14b中的斬波器包含以電晶體T1-T4作為開關元件且續流二極體F1-F4與這些電晶體並聯的電橋電路。四個選通驅動器以圖2所示方式連接到電晶體和續流二極體，並由調節器18(圖1)通過線路15加以控制。在焊接變壓器16的初級電路中設置有一個檢測流入焊接變壓器16初級電路的電流的實際值的電流互感器20。
如已經指出的，甚至用產生所要求電流波形的所需佔空係數的簡單控制系統就能夠獲得本發明的重要優越性。但是由於本發明首次真正使快速調節成可能，以下將參照調節來進行說明。
按照圖1的電路圖，來自電流互感器20的電流實際值通過A/D轉換器22傳輸到設計為過程計算機的調節器18的輸入端。在調節器18上，可通過電位器24和26設定焊接電流的標稱值Isoll或焊接頻率fs。在電位器24和26上建立的模擬電壓通過A/D轉換器25或27施加於過程計算機。另外可將焊接電流源值IF通過標誌為「手動」的輸入端或通過焊接機控制系統19饋入調節器18。所述值與標稱焊接電流Isoll結合以便允許例如罐體上的電流為非恆定。這樣，準確地知曉各時刻被焊罐體位置的焊接機控制系統19也因此能夠改變設定的標稱值Isoll，從而在罐體各點發生的焊接具有適當的焊接電流幅值。調節器18通過焊接電流的標稱-實際值比較而確定設定值，它通過A/D轉換器28和線路15將該設定值輸送給變頻器14(圖1)的輸出級14b中的選通驅動器(圖2)。該設定值影響輸出級14b中的斬波器對來自直流中間級電路14c的各半波中平滑直流電壓進行斬波所形成的矩形脈件的佔空係數，以便藉此通過初級交流電壓以受影響的佔空係數的脈寬調製調節焊接電流，如以下參照圖3更為詳細描述的。
在圖4-6中示出了通過將平滑的直流電壓斬波成矩形脈衝而產生初級交流電壓的各種方式。在圖4實例中，平滑的直流電壓被斬波成極性從半波到半波改變的矩形脈衝，從而產生平均來說(in the mean)為正弦初級交流電壓UP和基本上為正弦形式的焊接電流I。
同樣的方法應用於圖5的實例，將平滑的直流電壓斬波成等高的矩形脈衝，該高度在各種情況下等於平均來說為正弦波的初級交流電壓之峰值的兩倍。
在按照圖6的實例中，根據與圖4相同的原理但以產生梯形焊接電流I的方式來實現對平滑的直流電壓的斬波。
圖3更詳細地示出了調節器18。如以上已指出的，將調節器18設計為過程計算機，圖3中僅示出了為本發明所必需的部分並在下文中加以描述。它包含PID調節電路50以及存儲器形式的焊接電流參考元件52，存儲器52含有各斬波間隔的對應於焊接電流波形、用於各斬波間隔內所確定的各電流實際值進行比較的電流標稱值。對於各焊接電流波形(正弦波、三角波、梯形波等)，存儲器52包含可通過輸入端WTab選擇的標稱值表。存儲器52的一個輸出端連接到乘法器54的一個輸入端。乘法器54的輸出端連接到求和點56。求和點56將從乘法器54接收的輸入信號與電流實際值結合。通過標稱-實際值比較形成的求和點56的輸出信號施加於PID調節電路50的輸入端。
PID調節電路50在其輸出端將設定信號傳輸給求和點58的一個輸入端。存儲器52的另一輸出端通過前饋或正向驅動迴路60連接到求和點58的另一輸入端。通過前饋迴路，存儲器把從傳輸給乘法器54的實際電流標稱值到下一標稱值的變化值、即在實際電流標稱值的焊接電流曲線在下一電流標稱值方向上的一階導數dI/dt或增量傳輸給求和點58。將該方向數據與PID調節電路50的輸出信號互相結合，因此求和點58的輸出信號構成一設定信號，用該信號可以正確的方向及比例設定焊接電流，從而在調節電流的過程中不存在過調。
在與各焊接電流波形配合的標稱值表內，有特別可對各焊接頻率fs選擇的子表，這在下面進一步作更為詳細的描述。將通過輸入信號WTab選擇的電流曲線的標稱值以及它的一階導數存儲在各標稱值表中。對於各測量和斬波間隔，來自該表的相應標稱值在乘法器54中與所要求的電流幅值相乘，然後作為標稱值饋送給求和點56。所要求的電流幅值作為信號Isoll通過A/D轉換器25饋入乘法器54並在其中與來自存儲器52的電流標稱值相乘。所要求的電流幅值Isoll還可通過「手動」輸入或由焊接機控制系統19(圖1)交替地或輔助地予以影響，例如，以便在一個焊接點內給焊接電流I某一確定的變化過程，從而在初級交流電壓的一個半波之內，例如越來越傾斜脈衝頂部，如圖7a-7c所示，或者給它提供更多或更少的駝峰或凹谷，如圖8a-8c或9a-9c所示。
如前所述，對應每種電流波形存儲器52包含一個標稱值表，在所示的示範實施例中為四個標稱值表。在各表中，以預先選定的若干電流標稱值存儲所要求的焊接電流波形。在本實例中，每個焊接電流周期存儲256個標稱值。利用500Hz的焊接頻率和10KHz的斬波頻率，每半波分別可獲得100μs的10個斬波或轉換間隔。因此焊接電流每半波可被斬波10次，亦即接通並斷開10次。在256個可獲得的焊接電流標稱值中，每周期因此可選出20個焊接電流標稱值，亦就是說，每半波10個標稱值，並用於調節器18中的標稱-實際值比較。如果焊接頻率僅達到50Hz，那麼焊接電流每周期可選出200個標稱值，因此每半波為100個標稱值。根據所選焊接頻率fs，通過A/D轉換器27選擇對應於焊接電流波形的標稱值表中的適宜子表。
在標稱值表中還存儲從一個焊接電流標稱值到下一電流標稱值的變化量，即，256個預置焊接電流標稱值序列中的dI/dt值。如果用35與40Hz之間的焊接頻率工作，則利用標稱-實際值比較中的所有256個點。然而，通常使用的是500Hz的焊接頻率，因此在標稱-實際值比較中焊接電流每周期僅用到20個焊點。因此，如果不用含有256個標稱值的標稱值表，而是選擇超過fs的更高焊接頻率的子表，計算機就自動地使變化量適應它，使得該變化量對應於焊接電流標稱值之間所選的分級。另一可能性是並非從開頭即用每焊接電流周期256個點來預置標稱值表隨後用較少焊接電流標稱值選擇子表，而是預先計算這些子表，並使它們可與從標稱值到標稱值的變化量一起選作存儲器52中的標稱值表。
存儲器52傳輸的標稱電流值精確對應於所要求的焊接電流形式，但仍不對應於所要求的幅值。如所說明的，藉助於可通過上述另三個輸入端饋入乘法器54的獨立因子來選定所要求的幅值。
調節過程操作如下參照上面引用的實例，假定以500Hz的焊接頻率fs和10KHz的斬波頻率工作。焊接電流I為正弦波形並以圖4所示方式通過初級交流電壓U的脈寬調製獲得。標稱值表在焊接電流I的每半波包含10個標稱值。以10KHz對直流中間級電路14c傳輸的平滑直流電壓進行斬波，由此產生對應於電流標稱值的焊接電流曲線。從電流互感器20測定焊接電流實際值的測量頻率等於斬波頻率。因此對於各焊接電流標稱值測出焊接電流實際值。在每一標稱-實際值的比較中，確定所測得的實際值是否等於標稱值表中所存在的焊接電流標稱值。如果情況非如此，求和點56和PID調節電路50傳輸誤差信號，由該信號以上述方式藉助於前饋信號形成對應佔空係數的設定信號。利用該設定信號以下述方式對佔空係數施加影響，即在初級交流電壓的脈寬調製期間脈衝持續時間與脈衝間隔之間的比值以消除焊接電流實際值與焊接電流標稱值之間差異的方式予以修正。
因此，在焊接電流的一個半波內，即在一個焊點內能以極其短的調節時間來調節焊接電流。該調節方法的另一特殊優點是可另外以標稱值表的形式來存儲各所要求的電流波形並按需要加以選擇。可在一定限制內任意選擇焊接電流波形，該限制實際上僅由機器所設定(例如，若存在焊接電流曲線的最大可能增幅，由於存在各種物理因素等不能超過該增幅)。
在上部與下部焊接輥(如同這裡所示出的焊接電極10和12)之間的罐體的所謂完全正弦焊接中，焊接輥與金屬板之間總接觸長度上的加熱距離劃分為六個相，這些相是由60米/分鐘的焊接速度和500Hz的焊接頻率以及3mm的總接觸長度造成的，並產生三個半波，這些相被分為三個冷期和三個熱期(見「Soudronic」公司期刊，第一年出版物第一號，1985年6月，第3頁)。焊接輥之間各焊點的產生因此包括加熱與冷卻之間的三次交替作用。按照本發明的調節方法允許對一個焊點內加熱和冷卻相的最優控制。圖7-9示出為此目的的適當焊接電流形式。因此本發明適應不同材料的焊接情況。至今一直僅可利用濺射焊接的金屬板現在可以用無電流峰值的平頂焊接電流脈衝進行良好的焊接。
圖14示出最初焊接電流在各半波中正弦增長，而在達到正弦波峰之前下降並再次增長然後下降到零交叉的電流變化過程。對於本發明的這一具體實施例而言，對焊點成形熱(無流體相)獲得非常有效的有目的影響。在滾縫焊中有可能例如以500Hz的焊接頻率、3700A的焊接電流以及60米/分鐘的焊接速度工作，甚至對通常難於進行控制的金屬板品質也具有非常良好的結果。
圖15和16示出在半波中央存在焊接電流的反覆下降的其它最佳電流波形;圖15從零交叉起初始作正弦增長;圖16則朝著處在高於兩個後續峰值位置的第一幅峰作線性增長。對於這些電流波形，可用低焊接頻率獲得最大焊接速度，這防止焊接設備過熱並產生小的能量損耗。例如，對輥縫焊可指定頻率250Hz、電流3780A、速度60米/分鐘。
圖17示出在各種情況下各半波的中間具有緩慢下降的電流變化過程的最佳電流波形。依據金屬板的質量用該過程可獲得較大焊接範圍(在粘合與濺射極限之間)。
圖18示出電流的三角波變化過程。此處，尤其可獲得在有非常規鍍層(非鍍錫)的金屬板焊接中的優點。
圖19示出對被焊接材料進行較慢能量供應的類似電流波形。
圖20至28示出各種情況下在半波內某些時間保持焊接電流恆定的電流波形。在具體焊接情況下，這產生對焊接區尤為良好的能量供應。
圖29、30和31示出半波期間焊接電流或多或少慢慢下降的變化過程。
圖32至39示出各種情況下通過將電流減小為零值使半波期間能量供應顯著減少、或者在半波期間使電流短時間發生倒相的電流波形。
圖40示出具有幾個恆定部分的電流波形，其中第一恆定部分具有比後續恆定部分大的振幅。
所示出的電流波形和另外的電流波形可用以下描述的裝置產生。圖11示出用於縱向縫焊輥狀焊接電極10和12之間未示出的圓形罐體的電阻縫焊機的簡化電路圖。該電阻縫焊機含有一個具有由線路L1-L3表示的電源供電的輸入級14a的靜態變頻器14，所述輸入級通過常規直流中間級電路14c連接到設計為斬波器的輸出級14b。輸出級14b連接到焊接電流變壓器16的初級電路，將初級交流電壓Up傳輸給該電路，焊接變壓器16的次級電路連接到焊接電極10和12。
按照圖12所示的擴展電路圖，靜態變頻器14的輸入級14a有一個三相整流器，其同時構成直流中間級電路14c的輸入，直流中間級電路14c一般是公知的，因為它對本發明各種情況而言不重要故無需進行詳細描述。如圖12所示，變頻器14(圖11)的輸出級14b中的斬波器包含以電晶體T1-T4作為電路元件且續流二極體F1-F4與這些電晶體並聯的電橋電路。四個選通驅動器以圖12所示方式連接到電晶體和續流二極體，並由調節器18(圖11)通過線路15加以控制。在焊接變壓器16的初級電路中設置有一個檢測焊接變壓器16初級電路中電流實際值的電流互感器20。
按照圖11中的電路圖，來自電流互感器20的電流實際值通過A/D轉換器22傳輸到設計為過程計算機的調節器18的輸入端。在調節器18上，可通過電位器24和26設定焊接電流的標稱值Isoll或焊接頻率fs。在電位器24和26上建立的模擬電壓通過A/D轉換器25或27施加於過程計算機。另外可將焊接電流源值IF通過標誌為「手動」的輸入端或通過焊接機控制系統19饋入調節器18。該值與標稱焊接電流Isoll結合以便允許例如在一個罐體上的電流為非恆定。這樣，知曉各個時刻被焊罐體位置的焊接機控制系統19也因此能夠改變設定的標稱值Isoll，從而在罐體各點發生的焊接具有適當的焊接電流幅值。調節器18通過焊接電流的標稱-實際值比較確定設定值，它通過A/D轉換器28和線路15將該設定值輸送給變頻器14(圖11)的輸出級146中的選通驅動器(圖12)。該設定值影響輸出級14b中的斬波器對來自直流中間級電路14c的各半波中平滑直流斬波形成的矩形脈件的佔空係數，以便藉此通過初級交流電壓以受影響的佔空係數的脈寬調製來調節焊接電流，如以下參照圖13更為詳細描述的。
在圖14-30中示出了通過將平滑的直流電壓斬波成矩形脈衝而產生初級交流電壓的各種方式。
圖13更詳細地示出了調節器18。如以上已指出的，將該調節器18設計為過程計算機，圖3中僅示出了為本發明所必需的部分並在下文中加以描述。它包含PID調節電路50以及存儲器形式的焊接電流參考元件52，存儲器52含有各斬波間隔的對應於焊接電流波形、用於與各斬波間隔內所確定的各電流實際值進行比較的電流標稱值。對於各焊接電流波形(正弦波、三角波、梯形波等)，存儲器52包含可通過輸入端WTab選擇的標稱值表。存儲器52的一個輸出端連接到乘法器54的一個輸入端。乘法器54的輸出端連接到求和點56。求和點56將從乘法器54接收的輸入信號與電流實際值相互結合。通過標稱-實際值比較形成的求和點56的輸出信號施加於PID調節電路50的輸入端。
PID調節電路50在其輸出端將設定信號傳輸給求和點58的一個輸入端。存儲器52的另一輸出端通過前饋或正向驅動迴路60連接到求和點58的另一輸入端。通過前饋迴路，存儲器將傳輸給乘法器54的從實際電流標稱值到下一標稱值的變化量、即在實際電流標稱值的焊接電流曲線在下一電流標稱值方向上的一階導數dI/dt或增量傳輸給求和點58。將該方向數據與PID調節電路50的輸出信號互相結合，因此求和點58的輸出信號表示一設定信號，用該信號可沿正確的方向及比例設定焊接電流，從而在調節電流的過程中不存在過調。
在與各焊接電流波形相配合的標稱值表內，特別可對各焊接頻率fs選擇另一子表，這在下面作更為詳細的描述。將通過輸入信號WTab選擇的電流曲線的標稱值以及它的一階導數存儲在各標稱值表中。對於各測量和斬波間隔，來自該表的相應標稱值在乘法器54中與所要求的電流幅值相乘，然後作為標稱值饋送給求和點56。所要求的電流幅值作為信號Isoll通過A/D轉換器25傳輸給乘法器54並在其中與來自存儲器52的電流標稱值相乘。所要求的電流幅值Isoll還可通過「手動」輸入或由焊接機控制系統19(圖11)交替地或輔助地予以影響，例如，以便在一個焊接點內給焊接電流I某一確定的變化過程，從而在初級交流電壓的一個半波之內，例如越來越傾斜脈衝頂部，如圖7a-7c所示，或者給它提供更多或更少的駝峰或凹谷。
如前文已描出的，對應每種電流波形存儲器52都包含一個標稱值表，在所示出的示範實施例中為四個標稱值表。通過預先選定的若干電流標稱值在各表中存儲所要求的焊接電流波形。在本實例中，每個焊接電流周期存儲256個標稱值。利用500Hz的焊接頻率和10KHz的斬波頻率，每半波可獲得各為100μs的10個斬波或轉換間隔。因此焊接電流每半波可被斬波10次，亦即接通並斷開10次。在256個可獲得的焊接電流標稱值中，每周期因此可選出20個焊接電流標稱值，亦就是說，每半波10個標稱值，並用於調節器18中的標稱一實際值比較。如果焊接頻率僅達到50Hz，那麼每焊接電流周期可選出200個標稱值，因此每半波為100個標稱值。根據所選焊接頻率fs，通過A/D轉換器27選擇對應於焊接電流波形的標稱值表中的適當子表。在標稱值表中還存儲從一個焊接電流標稱值到下一電流標稱值的變化情況，即，256個預設焊接電流標稱值序列中的dI/dt值。如果用35與40Hz之間的焊接頻率工作，則會利用標稱-實際值比較中的所有256個點。
然而，通常使用的是500Hz的焊接頻率，因此在標稱-實際值比較中每焊接電流周期僅用到20個焊點。因此，如果不用有256個標稱值標稱值表，而選擇超過fs的更高焊接頻率的子表，計算機就自動地使該變化量適應它，使得變化量對應於焊接電流標稱值之間所選的分級。另一可能性是並非從開頭即預設每焊接電流周期256個點的標稱值表隨後選擇較少焊接電流標稱值選擇子表，而是預先計算這些子表，並使它們可與從標稱值到標稱值的變化量一起選作存儲器52中的標稱值表。存儲器52傳輸的標稱電流值精確對應於所要求的焊接電流波形，但仍不對應於所要求的幅值。如所說明的，藉助於可通過上述另三個輸入端饋入乘法器54的獨立因子來選定所要求的幅值。
調節過程操作如下參照上面引用的實例，假定以500Hz的焊接頻率fs和10KHz的斬波頻率工作。焊接電流I為正弦形並以圖14所示方式通過初級交流電壓U的脈寬調製獲得。標稱值表在焊接電流I的每半波包含10個標稱值。以10KHz對直流中間級電路14c傳輸的平滑直流電壓進行斬波，由此產生對應於電流標稱值的焊接電流曲線。由電流互感器20測定焊接電流實際值的測量頻率等於斬波頻率。因此為各焊接電流標稱值測出焊接電流實際值。在每一標稱-實際值的比較中，確定所測得的實際值是否等於標稱值表中預設的焊接電流標稱值。如果情況非如此，求和點56和PID調節電路50傳輸誤差信號，由該信號以上述方式藉助於前饋信號形成對於該佔空係數的設定信號。利用該設定信號以下述方式對佔空係數施加影響，即在初級交流電壓的脈寬調製期間脈衝持寬度與脈衝間隔之間的比值以消除焊接電流實際值與焊接電流標稱值之間差異的方式予以修正。
因此，在焊接電流的一個半波內，即在一個焊點內能以極其短的調節時間來重新調節焊接電流。該調節方法的另一特殊優點是可另外以標稱值表的形式來存儲各所要求的電流波形式按需要加以選擇。可在一定限制內任意選擇焊接電流波形，該限制實際上僅由機器所設定(例如，若存在焊接電流曲線的最大可能增幅，由於存在各種物理因素等不能超過該增幅)。
在上部與下部焊接輥(如同這裡所示出的焊接電極10和12)之間的罐體的所謂完全正弦焊接中，焊接輥與金屬板之間總接觸長度上的加熱距離劃分為六個相，這些相是由60米/分鐘的焊接速度和500Hz的焊接頻率以及3mm的總接觸長度造成的，並產生三個半波，這些相被分為三個冷期和三個熱期(見「Soudronic」公司期刊，第一年出版物第一號，1985年6月，第3頁)。焊接輥之間各焊點的產生因此由加熱與冷卻之間的三次交替作用所構成。按照本發明的調節方法允許對一個焊點的加熱和冷卻相的最優控制。因此本發明可以適應不同材料的焊接情況。至今一直僅可利用濺射焊接的金屬板現在可以用無電流峰值的平頂焊接電流脈衝進行良好的焊接。
權利要求
1.利用由初級交流電壓產生並通過脈寬調製加以控制的以周期性半波脈動尤其是交流的焊接電流進行電阻焊接的方法，其特徵在於在各半波內以斬波頻率對脈寬調製過程中的初級交流電壓進行斬波，所述斬波頻率是焊接電流頻率的倍數，以產生特定的焊接電流波形。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於選擇斬波頻率為焊接電流頻率的20倍。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於通過按照脈寬調製影響佔空係數，根據標稱-實際值比較在半波內控制焊接電流。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於對初級交流電壓的各半波斬波n次，實現焊接電流的n次標稱-實際值比較，以及對佔空係數影響n次。
5.如權利要求1到4中任何一項所述的方法，其特徵在於可藉助於標稱值表預選焊接電流的波形。
6.用於實現如權利要求1至5中任何一項所述的方法的裝置，該裝置含有一個靜態變頻器(14)，所述靜態變頻器具有一個直流中間級電路(14c)以及一個用作輸出級的斬波器(14b)，該斬波器產生初級交流電壓(Up)並將Up傳送到次級電路連接到電阻焊接機之焊接電極(10和12)的焊接變壓器(16)，其特徵在於含有一個控制裝置，藉助於該控制裝置可控制斬波器對初級交流電壓各半波的多次斬波。
7.如權利要求6所述用於實現如權利要求3所述方法的裝置，其特徵在於控制裝置具有一個調節器(18)，所述調節器(18)連接到變頻器(14)的斬波器(14b)，用於通過初級交流電壓的脈寬調製來控制焊接電流(I)，並具有一個焊接電流參考元件，調節器(18)的焊接電流參考元件是含有對應於各斬波間隔的焊接電流波形、用於與每斬波間隔確定的各電流實際值進行比較的電流標稱值的存儲器(52)。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，變頻器(14)的斬波器(14b)包含用電晶體(T1-T4)作為電路元件、續流二極體(F1-F4)並聯於電晶體(T1-T4)的電橋電路。
9.如權利要求7或8所述的裝置，其特徵在於可通過輸入端(WTab)選擇的各所要求的焊接電流波形的標稱值表可在存儲器(52)中獲得。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於通過各焊接頻率(fs)的可調焊接頻率輸入可在存儲器(52)的各標稱值表中選擇子表。
11.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於可在存儲器(52)中獲得各焊接頻率的對應於所要求的焊接電流波形的標稱值表。
12.如權利要求9至11中任何一項所述的裝置，其中調節器(18)含有PID調節電路(50)，該PID調節電路配備有前饋迴路，其特徵在於對於表中的各電流標稱值，存儲有向後續電流標稱值的變化值，並將該變化值提供給PID調節電路(50)的輸出作為前饋值。
13.如權利要求7至12中任何一項所述的裝置，其特徵在於一個乘法器(54)連接於存儲器(52)，該乘法器用能通過調節器(18)的可調電流標稱值輸入端(Isoll)輸入的選擇因子乘以所述表的標稱值。
14.如權利要求13所述的裝置，其特徵在於乘法器(54)還有另外的輸入端，通過這些輸入端可以手動或由疊加的焊接機控制系統(19)來輸入其它一些因子。
15.具有如權利要求6至14中之一所述的裝置的電阻焊接機。
16.利用以周期半波脈動的電流尤其是交變焊接電流進行電阻焊接的方法，其特徵在於所述焊接電流與正弦波形有區別。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於零交點之後焊接電流一開始主要正弦地增長，在達到正弦波峰值之前下降並再次增長，然後主要正弦地下降到零交點。
18.如權利要求16所述的方法，其特徵在於焊接電流在零交點之後最初主要正弦增長，然後重複採取下降然後增長的變化過程，然後主要正弦地下降到零交點。
19.如權利要求18所述的方法，其特徵在於焊接電流遵循在主要正弦變化部分之間下降和增長兩次的變化過程。
20.如權利要求16所述的方法，其特徵在於焊接電流變化過程首先陡峭增長，然後緩慢下降，再後又陡峭地下降。
21.如權利要求16所述的方法，其特徵在於焊接電流總體上從零交點開始線性增長，在半波的峰值區域內再次重複地下降並增長，隨後總體上線性下降至零交點。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於焊接電流變化過程在總體上為線性的部分之間下降和增長兩次。
23.如權利要求16所述的方法，其特徵在於焊接電流遵循三角波變化過程。
24.如權利要求16所述的方法，其特徵在於焊接電流遵循梯形波變化過程。
25.如權利要求24所述的方法，其特徵在於在較長梯形變化過程的肩部之間出現另一種梯形電流變化。
26.如權利要求24所述的方法，其特徵在於在較長梯形變化過程的肩部之間出現多種類似的梯形電流變化。
27.如權利要求16所述的方法，其特徵在於焊接電流最初總的以線性方式增長，然後總的以線性方式下降並接著增長，然後再次以線性方式下降。
28.如權利要求27所述的方法，其特徵在於半波內電流的下降主要發生在電流的零值。
29.如權利要求27所述的方法，其特徵在於半波內電流的下降發生在電流的零值以下。
30.權利要求17所述的方法，其特徵在於半波內電流的下降發生於直至零值。
31.如權利要求17所述的方法，其特徵在於半波內電流的下降發生在電流的零值以下。
32.如權利要求26所述的方法，其特徵在於梯形電流變化具有比所述多個變化的隨後變化或各隨後變化的水平部分高的水平部分。
33.如權利要求16至32中之一所述的方法，其特徵在於焊接頻率為500Hz或250Hz。
34.在接頭滾縫焊接中採用如權利要求16至33中之一所述方法。
35.在點焊中採用如權利要求16至33中之一所述方法。
36.在金屬板坯焊(sheet-metal blank welding)中採用如權利要求16至33中之一所述方法。
全文摘要
利用由初級交流電壓產生並通過脈寬調製受控的、以半波脈動尤其是交流的焊接電流進行電阻焊接的方法，在各半波內以斬波頻率對脈寬調製過程中的初級交流電壓斬波，斬波頻率是焊接電流頻率的倍數，以產生特定的焊接電流波形。實現該方法的裝置具有一個靜態變頻器，所述靜態變頻器具有一個直流中間級電路以及一個用作輸出級的斬波器，該斬波器產生初級交流電壓並將它傳送到次級電路連接到電阻焊接機的焊接電極的焊接變壓器。
文檔編號B23K11/24GK1071359SQ92101508
公開日1993年4月28日 申請日期1992年3月6日 優先權日1991年3月6日
發明者H·許曼, W·蘇特, H·韋伯 申請人:埃爾帕特朗尼股份公司