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WO2009137957A1 - 精密电阻焊点焊机 - Google Patents

精密电阻焊点焊机 Download PDF

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WO2009137957A1
WO2009137957A1 PCT/CN2008/000952 CN2008000952W WO2009137957A1 WO 2009137957 A1 WO2009137957 A1 WO 2009137957A1 CN 2008000952 W CN2008000952 W CN 2008000952W WO 2009137957 A1 WO2009137957 A1 WO 2009137957A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
welding
welding machine
output
spot welding
machine according
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/CN2008/000952
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
杨仕桐
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to PCT/CN2008/000952 priority Critical patent/WO2009137957A1/zh
Priority to US12/992,604 priority patent/US20110062123A1/en
Priority to PCT/CN2009/000221 priority patent/WO2009137981A1/zh
Priority to JP2011508786A priority patent/JP5443475B2/ja
Priority to GB1021320.5A priority patent/GB2474151B/en
Priority to KR1020107028085A priority patent/KR20110015630A/ko
Priority to DE112009001225T priority patent/DE112009001225T5/de
Publication of WO2009137957A1 publication Critical patent/WO2009137957A1/zh
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/24—Electric supply or control circuits therefor
    • B23K11/241—Electric supplies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/10—Spot welding; Stitch welding
    • B23K11/11—Spot welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K11/00—Resistance welding; Severing by resistance heating
    • B23K11/24—Electric supply or control circuits therefor
    • B23K11/26—Storage discharge welding

Definitions

  • the present invention relates to a precision electric resistance spot welding machine for use in an electronic component production apparatus, which is mainly applied to welding of enameled wire lead-out contacts in the manufacture of various small-coil electronic components, and can also be applied to various fine Precision welding of workpieces.
  • the object of the present invention is to provide a precision electric resistance spot welding machine which ensures that the welding machine provides an accurate pulse output for the direct welding enameled wire to improve the service life of the welding head directly splicing the enameled wire.
  • the present invention provides a precision electric resistance welding point levitation machine comprising a main power source, a welding head and a machine head, the main power source comprises a solder resist transformer and a power control device, and the main power source passes the power source.
  • the control device provides a stepped wave pulse output for the welding, and the machine head connects the output end of the soldering resistance transformer to the welding head during welding.
  • the power control device includes a control circuit for providing a pulse output, at least one function key for providing a signal to the control circuit to adjust a pulse output, and a display device electrically coupled to the control circuit for outputting information.
  • the step wave provided by the power control device is composed of ⁇ , a first step (v,), a second step (v 2 ), and a welding time (T), wherein the pulse output rises to a certain angle ( ⁇ )
  • a step after a certain period of time, continues to rise to the second step and is maintained at the second step until the end of the output.
  • the voltage value of the second step is a set value, and the voltage value of the first step is 50% to 100% of the set value, and the maintenance time of the first step is set; t is earlier than 20% ⁇ 80%.
  • the power control device is provided with at least one function key for adjusting the first step amplitude.
  • At least one function key is provided in the power control device for adjusting the time during which the first step is maintained.
  • the angle at which the output pulse rises is adjustable, and the adjustment range is 45° ⁇ ⁇ ⁇ 90°.
  • the power control device is provided with at least one function key for adjusting the output pulse rising angle.
  • a switcher for square wave and step wave is mounted on the power control device.
  • the welding machine is a capacitor energy storage welding machine or an inverter power welding machine.
  • the spot welder head is a spot welder head with a pressure display.
  • the welding head of the spot welding machine is a spot welding head or a resistance welding head or a pair of parallel electrodes or a pair of upper and lower electrodes.
  • the pulse output of the step wave provided by the power control device control circuit can be realized by a digital circuit DAC, or by using a constant current source to charge the capacitor and switch the potential.
  • FIG. 1 is a coordinate diagram of a step wave formed by a pulse amplitude and a width of a precision resistance welding spot welder of the present invention.
  • Figure 2 shows the schematic diagram of the welder circuit and the position of the A point.
  • Fig. 3 is a circuit diagram of the staircase wave shown in Fig. 1 realized by a digital circuit DAC.
  • Fig. 4 is a circuit diagram of the step wave shown in Fig. 1 by using a constant current source to charge the capacitor and switch the potential.
  • Figure 5 is a waveform diagram of the DAC0 output of the digital-to-analog converter using the circuit diagram of the C8051F020 microcontroller in Figure 4.
  • Fig. 6 is a graph showing the relationship between the parameter ⁇ and T in the formula (2).
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between parameters 1 ⁇ )-t of the embodiment of FIG. 4 for charging a capacitor with a constant current source to form a ramp wave.
  • the contact resistance between the hammer and the workpiece is less than the contact resistance of the two electrode tips,
  • the current flows into the workpiece, and the resistance welding is completed at the same pulse output, and the current flowing through the tips of the two electrodes becomes a bias current.
  • the entire process of directly welding the enameled wire generally takes only a few milliseconds to ten milliseconds.
  • the spot welding machine that can directly solder the wire (CN Patent No. CN 01114785.7) or other precision welding machines in the prior art generally only requires the current and voltage output of the welding machine to be stable, that is, the output pulse waveforms are mostly square waves or close to square waves.
  • the welding principle of the direct welding enameled wire described above before the enamelled wire insulating varnish is removed, a large amount of current first passes through the two electrode tips of the contact or the joint and generates an electric spark. As the splicing operation continues, the two electrode tips are repeated.
  • the resulting spark will inevitably affect its structure.
  • the two electrode tips can no longer generate an electric spark, the insulating paint cannot be burned out, and the splicing cannot be performed. Therefore, the welding head of the existing welding machine has a long life, and some have only a few hundred welding points, which greatly affects the promotion and application of the direct splicing enameled wire technology.
  • the present invention utilizes a "high-speed camera” with a frequency of 10,000 sheets/second to shoot the entire process of direct welding of the enameled wire, and uses the "resistance welding test analyzer” to measure the actual waveform of current and voltage during direct splicing of the enameled wire. At the same time, the dynamic resistance of the whole welding process is measured.
  • Burning off the enamelled wire insulation paint does not require welding of such a large current.
  • the current required to burn off the insulation paint is about 65% ⁇ 85% of the current required for the connection.
  • the current that is so large causes the spark generated by the two electrode tips to be too large, because excessive current during the burnout of the enameled wire is detrimental to the tip of the horn.
  • the high-speed photography also shows that during the soldering period, the two electrode tips have no sparks, indicating that the current is diverted into the weldment, and the electricity flowing through the two electrode tips becomes the bias current.
  • the pulse time required to burn off the insulating varnish is about 50% of the set welding pulse.
  • the welding machine of the invention comprises a main power source, a welding head and a machine head, wherein the main power source is a main part of the welding machine, the main power source comprises a soldering resistance transformer and a power control device, and the output of the soldering resistance transformer And the output cable, and the power control device regulates the output of the solder resist transformer. Therefore, in the field of welding, it is generally said that the welding machine is the main power source, and the welding head and the machine head are the supporting facilities of the welding machine. Among them, the welding head is also called the electrode, and the output connection of the resistance welding transformer is required for the welding work, and the machine head is the part for providing the connection and providing the welding force.
  • the welding head can be a spot welding head disclosed in the Chinese patent application CN 01114808.X or a resistance welding head disclosed in the Chinese patent application CN 2005121259.2.
  • a pair of parallel electrodes or upper and lower electrodes may be used if the enamel wire is not spliced, and the spot welding machine head disclosed in Chinese patent application CN 01114856.X may be used for the machine head.
  • the main power of the welder is the main content of the present invention.
  • the main power supply generally uses a capacitor energy storage welder with high power factor, fast response speed, concentrated heating, and short welding time.
  • Inverter power welder can also be used.
  • a capacitor energy storage welder generally outputs a square wave pulse and controls the output current by adjusting the pulse amplitude (voltage).
  • Capacitor energy storage welders have a very short width (time) for each output pulse, typically only a few milliseconds to ten milliseconds.
  • the invention divides such short pulses into two parts by the power control device, which are respectively the first half of the pulse output and the second half of the pulse output.
  • the step wave original composition as shown in the drawing of the specification includes: a pulse rising angle ⁇ , a first step V, a second step V 2 and a pulse output time T.
  • the pulse output starts, the pulse voltage rises at a certain angle, and the chirp is adjustable; It rises to a certain height and is maintained at the height, which height and the holding time constitute a first step V!, V, the height of which is a certain percentage of the set value and the percentage adjustable adjustment range is generally 50% to 100%.
  • the width of V that is, the time during which the first step is maintained, is also set to be adjustable, and the range of adjustment is set to 20% to 80% of the pulse output width.
  • the first step provides a suitable current for burning off the insulating varnish, and the voltage continues to rise to the set voltage level and is maintained at that height until the end of the pulse time. This period is called a second step V 2, V 2 second step to provide a suitable welding current. Since ⁇ is variable, when ⁇ determines that the time during which the voltage rises to the first step can also be determined, it is not necessary to additionally increase the time during which the voltage rises to the first step when the pulse time is set.
  • the power control device includes a control circuit for providing a pulse output, at least one function key for providing a signal to the control circuit to adjust the pulse output, and a display device electrically connected to the control circuit for outputting information.
  • the pulse output is divided into the first step V. !
  • the second step V 2 constitutes a staircase wave. Since the size of the wire diameter of the spliced enamel wire is different, the difference of the insulating varnish material, the thickness of the insulating varnish, and the like, the present invention sets the amplitude and width of the first step to be flexible and adjustable.
  • a button with adjustable amplitude for the first step is provided, and the adjustment range is 50% to 100% of the set pulse amplitude value; in addition, the first step may be provided according to actual needs.
  • the adjustable width of the button is set to 20% ⁇ 80% of the output pulse width; at the same time, the pulse rise angle ⁇ can also be set to be flexible and adjustable.
  • the adjustment range is 45. To 90. . To meet the needs of welding different enameled wires and workpieces.
  • Figure 1 shows the coordinate waveform of the output pulse amplitude and width to form the staircase wave
  • the ordinate V is the output pulse amplitude (voltage, unit V).
  • the abscissa T is the output pulse width (time, unit ms).
  • the structure of the staircase wave is increased by the pulse
  • the angle ⁇ , the first step V, the second step V 2 and the splicing time T are formed.
  • the pulse amplitude V rises at a certain angle, where ⁇ is greater than or equal to 45. , less than or equal to 90. (45 ° ⁇ ⁇ ⁇ 90.).
  • the amplitude When the pulse amplitude rises to a certain percentage of the set value, the amplitude is maintained and the hold time is also adjustable, typically 20°/ of the pulse width setting. ⁇ 80%, this period is called the first step V l 5 and then the amplitude rises again to the set value and is maintained at the end of the pulse output. This period is referred to as the second step V 2 .
  • ⁇ ⁇ 75.
  • the set pulse amplitude is l.Ov
  • the splicing time is 8ms.
  • the first step is required to be 75°/ 0 (3/4) of the set amplitude
  • the output pulse amplitude When the first step is required to be 75°/ 0 (3/4) of the set amplitude, the output pulse amplitude is 75. It rises to 0.75v, and maintains 4ms at 0.75v to form the first step V!, and then the pulse amplitude rises again to l.Ov for 4ms, which constitutes the second step V 2
  • ⁇ is variable, after the value of ⁇ is determined, the time when the pulse amplitude rises to the first step of the set value is determined, so that it is not necessary to increase the time of the ⁇ rise when setting the pulse width.
  • the set step wave is completed at the same pulse output.
  • the first step is used to burn off the insulating paint on the enameled wire, and the second step is used to weld.
  • preheating pulses such as preheating pulses, welding pulses, and sustaining pulses are completely different concepts.
  • the preheating pulse, the welding pulse, and the sustain pulse are independent outputs. There is a certain interval between the preheating pulse and the splicing pulse, or between the welding pulse and the sustaining pulse.
  • the first step is completely continuous with the second step, and there is no pause between the two steps.
  • the stepped wave pulse output resistance welding spot welding machine of the invention can be applied not only to the splicing enameled wire, but also to the precision welding of fine workpieces, such as repair of printed circuit boards, connection of solar cells, medical, defense, aerospace and various instruments.
  • the welding of the instrument, preheating with the first step of the step wave is better for reducing the splash and improving the welding quality than the conventional preheating pulse with the welding pulse, which is too small for the workpiece to be welded. Intermittent heat is easily lost.
  • the pulse rising angle of the staircase wave of the invention can effectively suppress the impact of the instantaneous large current on the workpiece, reduce the adhesion between the electrode and the workpiece, and improve the service life of the electrode.
  • parallel electrodes or upper and lower electrodes should be used.
  • the welding machine circuit disclosed in the Chinese patent application CN 01114785.7 is further described below to explain how to set the step wave on the circuit.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the welding machine circuit disclosed in Chinese Patent Application No. CN 01114785.7. As can be seen from Fig. 2, as long as a voltage waveform of appropriate amplitude and shape is applied at point A, the amplification and feedback circuits can work together. The output of the pulse transformer obtains a voltage waveform with a proportional amplitude and the same shape.
  • FIG. 1 is a circuit diagram of the stepped waveform of Figure 1 obtained by the digital circuit DAC at the output of the welder;
  • Figure 4 is a stepped wave of Figure 1 obtained by charging the capacitor with a constant current source and switching the potential at the output of the welder. Type circuit diagram.
  • the C8051F020 microcontroller is used in Figure 3. It is an integrated mixed-signal system-on-chip (SOC) that operates at speeds up to 25MPIS and has multiple functional blocks. It has two 12-bit digital-to-analog converters, DAC0 and DAC1, with a conversion speed of up to 1MHze. It can fully meet the application requirements of this welder, complete the control of the entire welder, and output accurate and smooth voltage waveforms. In the circuit, DAC0 is used to output the voltage waveform as shown in Figure 5. The shape of the waveform is generated by the program operation. The voltage waveform signal is passed through a voltage follower (U7324-B), and then smoothed by capacitor C32 to be added to point A.
  • SOC system-on-chip
  • the corresponding voltage value Ua is output to the charging circuit through the program operation, and the voltage of the storage capacitor C30 is adjusted to ensure that the C30 has sufficient energy output to form a complete output waveform that meets the requirements. .
  • the microcontroller When idle, the microcontroller continuously reads the data of the voltage dial and the time dial. According to the value set by the time dial, set the timer to control the width t of the output pulse; set the output voltage Ua of the DAC1 according to the value set by the voltage dial, thereby adjusting the voltage of the storage capacitor C30, and also calculating DAC0
  • the set of output data is such that it outputs a voltage waveform as shown in Figure 1.
  • the set of data corresponds to the voltage value set by the user and changes as the set value changes.
  • the DAC0 output data set is calculated according to equations (1) and (2):
  • Dn represents the nth digital-to-analog conversion data to be output by the DACO, U.
  • the full-scale voltage value 212 representing the output of DAC0 represents the data at full-scale output.
  • the voltage rise angle T is the DAC0 update period, and both ⁇ and T are set by the program and can be easily adjusted. Their relationship is shown in Figure 6.
  • the DACO output voltage is 0V.
  • the MCU outputs a value from 0V to U1, U2, U3 every other period T, at DAC0.
  • the output pin (100 feet) forms a ramp-up ramp voltage, which is applied to the point A through the voltage follower and capacitor C32.
  • the DAC0 maintains the current voltage value. Change, and start the timer to start timing; when the timing reaches the set paint removal time, DACO outputs the n+1th conversion value, so that the output voltage reaches U, and keeps the current voltage value unchanged, when the time reaches the set value.
  • the DACO output immediately becomes 0V, ending an output process.
  • a voltage waveform with a width t and a shape as shown in Fig. 5 is formed; at the same time, the purpose is also achieved: At the output end, a voltage amplitude is also obtained which is consistent with the set value and has a shape as shown in Fig. 5.
  • the rise of the voltage waveform can be considered smooth throughout the output process.
  • the shape of the waveform includes the rising angle, the amplitude ratio of the first step, the width ratio and the width t of the pulse are completely determined by the program, so it is easy to realize that the ⁇ is adjustable within 90 degrees and the first step wave is set at ⁇ 100%.
  • the value u is adjustable.
  • Figure 4 uses a constant current source to charge the capacitor to form a ramp wave.
  • the potential wave is used to form a staircase wave.
  • the voltage waveform shown in Figure 1 can be generated.
  • the rising slope of the ramp wave is determined by R108 and C12, and the amplitude ratio of the staircase wave is determined by R95 and R107.
  • the width ratio and pulse width t are determined.
  • Q7, Q8, Q9 and R108 constitute a typical transistor mirror constant current source (referred to as constant current source).
  • C12 is the load of the constant current source. t . t
  • the waveform generation process is described as follows:
  • the charging circuit adjusts the voltage of the storage capacitor C30 according to the set voltage value Ua to ensure that the C30 has sufficient energy output to form a complete output waveform that meets the requirements.
  • a step voltage waveform is formed at point A.
  • the amplitude of the front waveform is the set paint removal voltage width for the paint removal time length, and the subsequent waveform amplitude is Ua width for the long welding time.
  • the generation of the staircase wave is obtained by applying another voltage waveform to the point A of the circuit schematic shown in Fig. 2. Therefore, it is possible to install a changeover switch at point A, so that the spot welder of the present invention can use the original square wave or the staircase wave of the present invention, respectively, depending on the use.
  • the power control device provides a pulse output of the step wave for the direct welding enameled wire, which is set according to the welding principle of the direct welding enameled wire proposed by the present invention, and the pulse output of the step wave reduces the excessive current of the insulating lacquer period.
  • the impact of the electrode tip, while the current during the welding period turns into a large amount of current, so the current and voltage during the splicing period do not have much influence on the two electrode tips.
  • the stepped wave pulse output proposed by the invention greatly prolongs the service life of the direct welding enameled wire horn.
  • the welding machine disclosed in the Chinese patent application CN 01004785.7 is used as an experiment, and the same enameled wire and workpiece are welded using the welding head disclosed in the Chinese patent application CN 01114708.8 or the electric resistance welding head disclosed in the Chinese patent application CN 200512159.2.
  • the step wave output pulse waveform is compared with the pulse waveform originally outputted by the square wave, the number of solder joints soldered by the horn is increased by a factor of ten. Depending on the wire diameter of the enamel enamel, it can reach tens of thousands of solder joints, which greatly prolongs the service life of the horn.
  • FIG. 5 and FIG. 6 are only described by taking 1/2 pulse time as an example. However, in practical applications, the pulse time can also be adjusted according to different needs.
  • the present invention cannot exhaust all circuits that realize the output of the staircase wave.
  • any circuit modification made by those skilled in the art for generating a staircase wave can be simply converted according to the disclosure of the present invention. Therefore, such improvement should be considered as not departing from the spirit of the present invention. It should be considered as falling within the scope of protection as defined by the claims of the present invention.

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Description

精密电阻焊点桿机
技术领域 本发明涉及一种电子元器件生产设备中的精密电阻焊点焊机， 其主要应用 于各种带小线圈电子元器件制作中对漆包线引出接点的焊接， 也可应用于对各 种微细工件的精密焊接。
背景技术 直接坪接漆包线技术是一种新的技 本专利申请的申请人申请了包括 "可 直接焊漆包线的点电焊机" （中国专利申请 CN 01114785.7). "点电焊焊头" （中 国专利申请 CN 01114808.X) , "预应力点电焊电极" （中国专利申请 CN 93245377.5 "电阻焊焊头及其制备方法"（中国专利申请 CN 2005121259.2 "带 压力显示的点电悍机机头" （中国专利申请 CN 01114856.X)、 "点电焊机焊头夹" (中国专利申请 CN 01114831.4)、 "带光源的焊头夹" （中国专利申请 CN 01242320.3)、 以及 "直接坪接漆包线点电焊焊头的工作状态监测装置" （中国专 利申请 CN 200410015223.1)等多项专利申请， 使直接悍接漆包线技术日趋成熟。
但是各种现有技术中的焊机焊头寿命都不长， 有的只有几百个焊点， 极大 地影响直接焊接漆包线技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于： 提供一种精密电阻焊点焊机， 其可保证焊机为直接焊 接漆包线提供精确的脉沖输出， 以提高直接悍接漆包线的焊头的使用寿命。
为了解决上述技术问题， 本发明提供了一种精密电阻焊点浮机， 其包括主 电源、 焊头和机头， 主电源包括阻焊变压器和电源控制装置， 主电源通过电源
1
确 认 本 控制装置为焊接提供阶梯波状脉冲输出， 机头在焊接时把阻焊变压器的输出端 和焊头连接。
所述电源控制装置包括用于提供脉冲输出的控制电路、 用于提供信号给所 述控制电路以调节脉沖输出的至少一个功能键、 和与控制电路电性连接供输出 信息的显示装置。
所述电源控制装置所提供的阶梯波由 Ζθ、 第一阶梯 (v,)、 第二阶梯 (v2)和焊 接时间 (T)组成， 其中， 脉冲输出以一定的角度 (Θ)上升至第一阶梯， 维持一段特 定时间后继续上升至第二阶梯， 并在第二阶梯维持至输出结束。
所述第二阶梯的电压值为设定值， 第一阶梯的电压值为设定值的 50%至 100%, 第一阶梯的维持时间为设定 ;t早接时间 20%〜80%。
所述电源控制装置中至少设有一个功能键， 用于调节第一阶梯幅度。
所述电源控制装置中至少设有一个功能键，用于调节第一阶梯维持的时间。 所述输出脉冲上升的角度 Θ值可调， 调节范围为 45°≤θ≤90°。
所述电源控制装置中至少设有一个功能键， 用于调节输出脉沖上升角度。 所述电源控制装置上安装有方波和阶梯波的切换开关。
所述焊机为电容储能式焊机或逆变电源焊机。
所述点焊机机头为带压力显示的点焊机机头。
所述点焊机的焊头为点焊焊头或电阻焊焊头或一对平行电极或一对上下电 极。
所述电源控制装置控制电路所提供的阶梯波的脉沖输出可通过数字电路 DAC实现， 或釆用恒流源对电容充电及电位切换实现。
与现有技术相比， 本发明精密电阻焊点焊机的主电源通过电源控制装置为 焊接漆包线提供阶梯波的脉沖输出， 减少了烧除漆包线的绝缘漆时过大的电流 对焊头的损伤， 延长了焊头的使用寿命。 附图说明 图 1为本发明精密电阻焊点焊机所输出脉冲幅度和宽度构成阶梯波的坐标 图。
图 2为焊机电路原理图和 A点的位置图。 图 3为通过数字电路 DAC实现如图 1所示阶梯波的电路图。 图 4为采用恒流源对电容充电及电位切换实现如图 1所示阶梯波的电路图。 图 5为图 4中采用 C8051F020单片机的电路图的数模转换器 DAC0输出的波形 示意图。
图 6为式 (2)中参数 Θ和 T的关系曲线示意图。 图 7为图 4中釆用恒流源对电容充电形成斜波的实施例的参数1^ ) - t的关系 曲线图示意。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式， 对本发明精密电阻焊点焊机进行进一步详
、细说明。
要直接悍接漆包线， 一般需 吏用中国专利申请号 CN 93245377.5所揭示 的预应力点电焊电极、 中国专利申请号 CN 01114808.X所揭示的点电焊焊头， 或中国专利申请号 CN 2005121259.2 (电阻焊焊头及其制备方法)所揭示的焊 头。 从这几种焊头的结构来看， 构成焊头的二个电极的尖端分别是应力接触欧 姆接触或者是连体的。
经过大量的实验、 研究和分析， 直接焊接漆包线的原理可概括为： 焊接时 导通电流， 由于漆包线上有绝缘层， 电流全部流经焊头的二个电极的尖端， 使 焊头尖端产生电火花， 把与焊头接触的绝缘漆烧除剥脱， 棵露金属； 然后， 由 于漆包线内铜芯的导电率和金属基底的导电率都大于电极材料的导电率， 在焊 接力和电阻热的共同作用下， 悍头与工件的接触电阻小于二个电极尖端的接触 电阻， 大量电流转而流入工件， 实现在同一脉冲输出完成电阻焊焊接， 而此时 流经二个电极尖端的电流成为偏置电流。
直接焊接漆包线的整个过程， 视漆包线线径的大小， 一般只需几毫秒到十 几毫秒即可完成。 可直接焊漆包线的点电焊机 (中国专利申请号 CN 01114785.7) 或现有技术中的其它精密焊机一般只要求焊机输出的电流电压稳定， 即输出脉 沖波形大都是方波或接近方波。 但是， 根据上述直接焊接漆包线的焊接原理， 在漆包线绝缘漆未除去前， 大量电流首先通过接触或连体的二个电极尖端并产 生电火花， 随着悍接工作的持续， 二个电极尖端反复产生的电火花必然影响其 结构。 当二个电极尖端不能再产生电火花时， 绝缘漆即无法烧除， 悍接也就不 能进行。 所以现有焊机的焊头寿命都不长， 有的只有几百个焊点， 这极大地影 响直接悍接漆包线技术的推广应用。
本申请人经过大量实验、 分析后认为： 虽然直接焊接漆包线的时间很短， 只有几毫秒到十几毫秒， 但整个过程还是可以划分为 "烧除绝缘漆，，和 "焊接 "二 个时段这样就可以提出： 烧除绝缘漆时段和焊接时段所需要的电流是否相等？ 原先的脉冲波型以方波输出是否合理？ 如何为直接焊接漆包线提供精确的电 流？
为此， 本发明借助了以 1万张 /秒频率的"高速摄影仪"对直接焊接漆包线的 全过程进行拍摄， 借用 "电阻焊测试分析仪"测量直接悍接漆包线过程的电流和 电压实际波形； 同时测量整个焊接过程的动态电阻情况， 借助上述科技手段和 科学的分析， 总结出上述直接焊接漆包线的焊接原理， 同时还得出以下结论：
1、 烧除漆包线绝缘漆并不需要焊接那么大的电流， 尽管被焊接漆包线线径 有大小的不同， 烧除绝缘漆所需的电流约为悍接所需电流的 65%〜85%左右。 也 就是说， 既要保证二个电极尖端产生电火花用以烧除绝缘漆， 又避免输出焊接 时那么大的电流导致二个电极尖端产生的电火花太大， 因为烧除漆包线时段过 大的电流对焊头尖端是有害的。 高速摄影的照片还显示， 在焊接时段， 二个电 极尖端反而没有电火花， 说明此时电流是转向流入焊件， 而流经二个电极尖端 的电 ¾fu成为偏置电流。
2、 烧除绝缘漆所需要的脉沖时间约为设定焊接脉沖的 50%左右。
根据上述实验分析研究的结果， 本发明焊机包括主电源、 焊头和机头， 其 中主电源为焊机的主要部分， 主电源包括一个阻焊变压器和电源控制装置， 阻 焊变压器上有输出和输出电缆， 而电源控制装置则调控阻焊变压器的输出。 因 此， 在焊接领域， 一般说焊机就是说主电源， 而焊头和机头则为焊机的配套设 施。 其中， 焊头也称电极， 需和阻焊变压器的输出连接方可进行焊接工作， 而 机头即是为其提供连接和提供焊接力的部分。 在本发明中， 焊头可使用中国专 利申请 CN 01114808.X所揭示的点电焊焊头或中国专利申请 CN 2005121259.2 所揭示的电阻焊焊头。 此外， 如果不是悍接漆包线， 也可使用一对平行电极或 上下电极， 而机头则可选用中国专利申请 CN 01114856.X所揭示的点电焊机机 头。
焊机主电源是本发明的主要内容。 主电源一般选用功率因素高， 响应速度 快， 加热集中， 焊接时间短的电容储能式焊机， 也可以选用逆变电源焊机。 以 电容储能式焊机为例， 电容储能式焊机一般都是以一个个方波的脉沖输出， 并 通过调节脉沖幅度 (电压)来控制输出电流的大小。电容储能式焊机每个输出脉冲 的宽度 (时间)很短， 一般只有几毫秒到十几毫秒。 本发明通过电源控制装置， 把 这么短的脉冲划分为二部分， 分别为脉冲输出的前半部分和脉沖输出的后半部 分， 由于二部分的幅度不相等， 形状类似阶梯， 所以可称之为阶梯波。 脉沖输 出的前半部分为第一阶梯， 脉沖输出的后半部分为第二阶梯。 如说明书附图所 示阶梯波原组成包括： 脉冲上升角度 Θ, 第一阶梯 V,、 第二阶梯 V2和脉冲输出 时间 T。 脉冲输出开始时， 脉冲电压以一定的角度 Θ上升， 该 ΖΘ是可调的； 当 上升至一定高度并在该高度维持， 该高度和维持时间组成第一阶梯 V!, V,的高 度为设定值的一定百分比且该百分比可调调节范围一般可选用 50%至 100%。 V,的宽度即第一阶梯维持的时间也设置为可调， 调节的范围在设定脉冲输出宽 度的 20%~80%。 第一阶梯为烧除绝缘漆提供合适的电流， 随之电压继续上升至 设定电压的高度， 并在该高度维持至脉沖时间结束。 该时段称之为第二阶梯 V2, 第二阶梯 V2为焊接提供合适的电流。 由于 ΖΘ是可变的， 当 ΖΘ确定， 电 压上升至第一阶梯的时间也可确定， 所以在设置脉沖时间时可不另外增加电压 上升至第一阶梯的时间。
具体的， 电源控制装置包括用于提供脉冲输出的控制电路、 用于提供信号 给所述控制电路以调节脉冲输出的至少一个功能键、 和与控制电路电性连接供 输出信息的显示装置。
本发明精密电阻焊点焊机在脉沖输出的设定中， 不但有脉沖输出幅度和宽 度的设定键， 也即电源控制装置的功能键之一， 还把一个脉冲输出划分为第一 阶梯 V！和第二阶梯 V2组成阶梯波。 由于被悍接漆包线有线径大小不同， 有绝 缘漆材料的不同， 还有绝缘漆厚薄的不同等等， 所以本发明把第一阶梯的幅度 和宽度设置为灵活可调。 在所述功能键中， 设有对第一阶梯 ,的幅度可调的按 键， 调节的范围为设定脉冲幅度值的 50%至 100%; 此外，也可以根据实际需要 设有对第一阶梯 V！的宽度可调的按键， 调节的范围在设定输出脉冲宽度的 20%〜80%； 同时， 对脉冲上升角度 Θ也可以设置为灵活可调。 在焊机的其它功 能键中， 还设有对脉冲上升角度 Θ可调的 ^l ， 调节的范围为 45。至 90。。 以满 足对焊接不同漆包线和工件的需要。
下面结合附图和具体实施方式对本发明阶梯波的形成做进一步说明。
以调节脉冲输出幅度 (电压)来控制电流输出的电容储能式烊机为例， 图 1 为输出脉冲幅度和宽度构成阶梯波的坐标图， 纵坐标 V为输出脉冲幅度 (电压， 单位 V), 横坐标 T为输出脉冲宽度 (时间， 单位 ms)。 阶梯波的结构由脉冲上升 角度 Ζθ、 第一阶梯 V,、 第二阶梯 V2和悍接时间 T构成。 脉冲输出的起始， 脉 冲幅度 V以一定的角度 Θ上升， 其中， ΖΘ大于或等于 45。， 小于或等于 90。 (45°≤θ≤90。)。 当脉冲幅度上升至设定值的一定百分比， 在该幅度维持， 维持的 时间同样可调， 一般为脉宽设定值的 20°/。〜80%, 该时段称之为第一阶梯 Vl 5 随之幅度再上升至设定值并在该幅度维持至脉冲输出结束。 该时段称之为第二 阶梯 V2。 在说明书附图 1 中， Ζθ=75。， 设定的脉沖幅度为 l.Ov, 悴接时间为 8ms, 当要求第一阶梯为设定幅度的 75°/0(3/4), 那么输出脉冲幅度以 75。上升至 0.75v, 并在 0.75v维持 4ms构成了第一阶梯 V!, 然后脉冲幅度再上升至 l.Ov 雄持 4ms, 构成了第二阶梯 V2„
由于 ΖΘ是可变的， 在确定了 ΖΘ的值后， 脉冲幅度上升至设定值的第一个 阶梯的时间就确定， 故在设置脉沖宽度时不需要另外增加该 ΖΘ上升的时间。
本设置阶梯波是在同一脉冲输出完成， 第一个阶梯是用以烧除漆包线上的 绝缘漆， 第二个阶梯用以焊接。 它和有些文献介绍把焊接划分为几个波形， 如 有预热脉冲、 焊接脉沖、 维持脉冲是完全不同的概念。 预热脉冲、 焊接脉冲、 维持脉冲这几个脉冲是各自独立的输出， 预热脉沖和悍接脉冲之间， 或者是焊 接脉冲和维持脉冲之间都有一定的间歇时间， 而本设置阶梯波第一个阶梯与第 二个阶梯完全是连续的， 二个阶梯之间没有间歇。
本发明阶梯波的脉沖输出电阻焊点焊机， 不但可以应用在坪接漆包线， 对 于微细工件的精密焊接， 如印刷电路板的修补、 太阳能电池的连接、 医疗、 国 防、 航天航空上各种仪器仪表的焊接， 以阶梯波的第一阶梯作预热， 对于减少 飞溅， 提高焊接质量， 都比采用传统的与焊接脉沖有间歇的预热脉沖效果更好， 这与被焊工件太细小， 在间歇期热量很容易散失有关。 同时， 由于电容储能式 焊机放电时间短， 瞬时电流峰值高， 本发明阶梯波的脉沖上升角度可以有效扼 制瞬时大电流对工件的沖击， 减少电极与工件的粘连， 提高电极的使用寿命。 当然， 焊接这些非漆包线的微细工件， 就应使用平行电极或上下电极。 下面再进一步结合中国专利申请 CN 01114785.7揭示的焊机电路， 说明如 何在电路上获得设置的阶梯波。
图 2是中国专利申请 CN 01114785.7所揭示的焊机电路原理图， 由图 2可 知， 只要在 A点施加一个幅度适当、 形状任意的电压波型， 经过放大与反馈电 路的共同作用， 就能在脉沖变压器的输出端得到一个幅度成比例而形状相同的 电压波形。
因此， 若要烊机输出如图 1的电压波形， 就要在 A点产生一个幅度成比例 而形状与图一相同的电压波形。 要产生如图 1所示的电压波形的方法有多种， 在电路结构上可采用模拟电路或数字电路作为电源控制装置的控制电路， 或者 模拟电路和数字电路相结合。 图 3为通过数字电路 DAC实现在焊机输出端得到 如图 1的阶梯波型的电路图； 图 4为采用恒流源对电容充电及电位切换实现在 焊机输出端得到如图 1的阶梯波型的电路图。
下面分别说明两电路的工作过程。
图 3中采用 C8051F020单片机 它是一个集成的混合信号片上系统 (SOC), 其运行速度高达 25MPIS, 具有多种功能模块。 其片内具有两个 12位数模转换 器 DAC0和 DAC1, 转换速度可高达 lMHze 完全可以满足本焊机的应用要求， 完成整部焊机的控制工作， 输出精确而平滑的电压波形。 电路中， DAC0 用于 输出如图 5所示的电压波形， 波形的形状由程序运算产生， 电压波形信号经过 一个电压跟随器 (U7324-B), 再经电容 C32进行平滑滤波， 加到 A点上； DAC1 则根据输入的设定电压值， 经过程序运算输出相应的电压值 Ua到充电电路， 调 节储能电容 C30的电压， 以保证 C30有足够的能量输出， 形成符合要求的完整 的输出波形。
在空闲时， 单片机不断读取电压拨盘和时间拨盘的数据。 根据时间拨盘设 定的数值， 设定定时器来控制输出脉冲的宽度 t; 根据电压拨盘设定的数值设定 DAC1 的输出电压 Ua, 从而调节储能电容 C30的电压， 同时还计算出 DAC0 的一组输出数据， 使它输出形状如图 1的电压波形。 该组数据与用户所设定电 压值相对应， 并随着设定值的改变而改变。 DAC0输出数据组根据式 (1)、 式 (2) 进行运算：
Figure imgf000011_0001
式 (1)中 Dn表示 DACO要输出的第 n个数模转换数据， U。表示 DAC0输出 的满幅电压值 212表示满幅输出时的数据。式 (2)中 Θ是电压上升角度 T是 DAC0 更新周期， Θ和 T都由程序进行设定， 可方便地调节。 它们的关系如图 6所示。
在空闲时， DACO输出电压为 0V， 当满足触发条件时， 在单片机 62脚产 生负跳变, 发生中断， 单片机即从 0V开始到 Ul、 U2、 U3每隔一个周期 T输 出一个数值， 在 DAC0输出引脚 (100脚)形成緩升的斜波电压， 经过电压跟随器 和电容 C32滤波加到 A点上； 当斜波电压值达到设定的除漆电压时， DAC0就 保持当前电压值不变， 并启动定时器开始计时； 当计时达到设定的除漆时间时， DACO输出第 n+1个转换数值， 使输出电压达到 U, 并保持当前电压值不变， 当时间到达设定的焊接时间时， DACO输出立即变为 0V， 结束一个输出过程。 这样在 A点上就形成了一个宽度为 t， 形状如图 5的电压波形； 同时也达到目 的： 在输出端也得到了一个幅度与设定值一致， 形状如图 5的电压波形。
由此可知， 只要 DAC0的更新周期 T足够小 (如 10微秒)， 则在整个输出过 程中， 电压波形的上升过程可以认为是平滑的。 并且波形的形状包括上升角度， 第一阶梯的幅度比例、 宽度比例和脉沖的宽度 t完全由程序决定， 所以就很容 易实现 ΖΘ在 90度内可调和实现第一阶梯波在 < 100%设定值 u可调。
图 4采用恒流源对电容充电形成斜波， 用电位切换形成阶梯波， 结合程序 控制即可产生如图 1所示的电压波形。 其中斜波的上升斜率由 R108和 C12共 同决定， 而阶梯波的幅度比例由 R95和 R107决定， 宽度比例和脉冲宽度 t由程 序控制。 图中 Q7、 Q8, Q9、 R108构成典型晶体管镜像恒定电流源 (简称恒流源)，
C12为恒流源的负载。 t 。 t
U u = f /,(t) do = f /'c(t) d (I) + fic(t) d (t) .
电容两端电压为:。 -p -∞ o ， WO在此这里为恒 定电流 I， 故 。 =lt L + lt |D， 假定 t=0 时刻 w = o v， 则
WcW = It。 由此可见， C12两端电压 与时间 t成线性比例关系， 当 I大于 0 时， WcW随着时间 t的增大而增九 形成一个上升的斜泷其斜率为1^ = ½^ = 1 , 故改变 I的大小即可改变 WcW的上升斜率， 即改变波形中的上升角度 θ。 所以用 恒定电流 I对电容充电时， Wc«— t关系曲线如图 7所示。
其波形产生过程说明如下：
在空闲时， 单片机随时等待触发信号， CON1=0, Q4截止， CON3=l， Q5 截止， CON2=0， Q6导通， 把 C12电压 Uc拉到零， 故 Ub为 0。 故 U7-C构成 的电压跟随器输出也为 0V。 充电电路根据设定电压值 Ua调整储能电容 C30的 电压， 以保证 C30有足够的能量输出， 形成符合要求的完整的输出波形。
在满足触发条件时， 单片机 12脚发生负跳变， 引起中断， 立即开始输出焊 接波形。 在单片才 空制下， CON2=l， Q6截止， CON3=l, Q5截止， CONl=l , 电压比较器 U7-B反相输入端电压为 Ub=0， 同相端为设定的除漆电压大于 0V, 比较器输出高电压， 所以 Q4导通恒流源电路开始工作， 以恒定电源 I对 C12 充电， C12两端电压由零开始线性增长， A点电压等于 Ub等于 C12两端电压， 也线性增长， 形成一斜率为 I的上升电压波形。
.当 Ub上升到设定的除漆电压时， CONl=l， CON2=l， CON3=l保持不变。 电压比较器 U7-B两端电压相等， 比较器输出变为低电位， 故 Ud也为低电位， Q4截止， 直流源停止工作， C12两端电压停止上升； 与此同时因为 Ud由高变 低， 在单片机 13脚立即产生中断， 单片机开始计时， 并不断与除漆时间设定值 进行比乾此时电压比较器 U7-B的作用是使 Ub与 Ue (即设定的除漆电压)保持 一致， 在 A点就形成幅度为设定的除漆电压的电压波形。 当单片机比较判断计时到达设定的除漆时间时， /4在 A点已经保持了设 定的除漆时间时长， CONl=l， CON2=l保持不变， 立即设定 CON3=0, Q5饱 和导通， 电压值 Ua立即加到 Ub, A点电压从设定的除漆电压跳变为 Ua。 与此 同时单片机继续计时， 并不断与时间设定值的 t进行比较。
当单片机比较判断计时到达设定的 t时， Ua在 A点已经保持了焊接时间时 长， 单片机立即设定 CON1=0, CON2=0, CON3=l , Q4、 Q5截止， Q6导通， 把输出电压 Ub立即拉到零， A点的电压也立刻变为 0。
于是在 A点就形成了一个阶梯电压波形， 前面的波形幅度为设定的除漆电 压宽度为除漆时间长度， 后面的波形幅度为 Ua宽度为焊接时间长 ^ 一个完整 的脉冲输出过程结束， 焊机转入空闲状态， 等待下一个触发的到来。
根据本实施方式的电路图， 本阶梯波的产生是在图 2所示电路原理图的 A 点施加另外一个电压波形而得到的。 因此， 就可以在 A点安装一个切换开关， 这样本发明点焊机就可以按使用要 分别使用原先的方波或本发明的阶梯波。
电源控制装置为直接焊接漆包线提供阶梯波的脉沖输出， 是以本发明提出 直接焊接漆包线的焊接原理为依据而设定的， 阶梯波的脉沖输出减少了烧除绝 缘漆时段过大的电流对二个电极尖端的沖击， 而焊接时段的电流大量转而流入 焊件， 所以悍接时段的电流电压不会对二个电极尖端产生太大的影响。 本发明 提出的以阶梯波脉冲输出， 大大地延长了直接焊接漆包线焊头的使用寿命。 以 应用中国专利申请 CN 01004785.7所揭示的焊机作实验， 同样使用中国专利申 请 CN 01114708.8所揭示的焊头或中国专利申请 CN 200512159.2所揭示的电阻 焊焊头， 焊接相同的漆包线和工件， 在应用了阶梯波输出脉冲波形后和原先以 方波输出的脉沖波形相比较， 焊头焊接的焊点数以十倍数增加。 视悍接漆包线 线径的不同， 可达数万焊点以上， 大大延长了焊头的使用寿命。
需要说明的是， 图 5和图 6仅以 1/2脉冲时间为例进行说明。 但是， 实际 应用中， 脉冲时间还可以根据不同需要调整。 当然， 本发明无法穷举所有实现输出阶梯波的电路。 但是， 本领域的普通 技术人员所做出的一切用于产生阶梯波的电路改进， 均可依据本发明公开的内 容简单变换得出， 因此， 此种改进应视为不脱离本发明的精神， 应当视为落入 本发明权利要求所界定的保护范围。

Claims

权利要求书
1、 一种精密电阻焊点焊机， 其包括主电源、 焊头和机头， 其特征在于： 主 电源包括阻焊变压器和电源控制装置， 主电源通过电源控制装置为焊接提供阶 梯波状脉沖输出， 机头在彈接时把阻焊变压器的输出端和焊头连接。
2、 根据权利要求 1所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控制 装置包括用于提供脉沖 ^出的控制电路、 用于提供信号给所述控制电路以调节 脉沖输出的至少一个功能键、 以及与控制电路电性连接供输出信息的显示装置。
3、 根据权利要求 2所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控制 装置所提供的阶梯波由 Ζθ、 第一阶梯 (ν,)、 第二阶梯 (V2)和焊接时间 (Τ)组成， 其中， 脉冲输出以一定的角度 (Θ)上升至第一阶梯， 维持一段特定时间后继续上 升至第二阶梯， 并在第二阶梯维持至输出结束。
4、 根据权利要求 3所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述第二阶梯 的电压值为设定值， 第一阶梯的电压值为设定值的 50%至 100%。
5、 根据权利要求 4所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控制 装置中至少设有一个功能键， 用于调节第一阶梯幅度。
6、 根据权利要求 3所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述第二阶梯 的焊接时间为设定值， 第一阶梯的维持时间为设定值的 20%至 80%。
7、 根据权利要求 3所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控制 装置中至少设有一个功能键， 用于调节第一阶梯维持的时间。
8、 根据权利要求 3所述的精密电阻悍点焊机， 其特征在于： 所述输出脉冲 上升的角度 Θ值可调， 调节范围为 45。≤θ≤90。。
9、 根据权利要求 6所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控制 装置中至少设有一个功能键， 用于调节输出脉沖上升角度。
10、 根据权利要求 1 所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控 制装置上安装有方波和阶梯波的切换开关。
11、 根据权利要求 1 所述的精密电阻焊点悍机， 其特征在于： 所述焊机为 电容储能式焊机或逆变电源焊机。
12、 根据权利要求 1 所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述点焊机 机头为带压力显示的点焊机机头。
13、 根据权利要求 1 所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述点悍机 的焊头为点焊焊头、 或电阻焊焊头、 或一对平行电极、 或一对上下电极。
14、 根据权利要求 1 所述的精密电阻焊点焊机， 其特征在于： 所述电源控 制装置控制电路所提供的阶梯波的脉冲输出通过数字电路 DAC实现， 或采用恒 流源对电容充电及电位切换实现。
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