CN103781582B

CN103781582B - 以变总体磁场角焊接部件至工件表面的螺柱焊方法和装置

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Publication number: CN103781582B
Application number: CN201280043881.4A
Authority: CN
Inventors: K-G.施密特; L.格拉赫; B.戈贝尔; M.施莱格; M.埃卡里厄斯
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: JP6201996B2; DE102011113308A1; TW201318759A; WO2013034564A1; CN103781582A; JP2014526382A; EP2753448A1; KR20140071360A; KR101989639B1; EP2753448B1

Abstract

一种焊接部件（12）至工件表面（14）的表面（16）的螺柱焊接方法，其包括下列步骤：将部件（12）降低至工件（14）的表面（16），且接通电流（I）；将部件（12）提升离开工件（12），使得形成基本沿纵向方向（21）取向的电弧（24）；使用磁场（27）影响电弧（24），其中磁场（27）被以相对于纵向方向（21）的总体磁场角（28）取向，且具有轴向分量（B_A）和/或径向分量（B_R）；并降低部件（12）至工件（14），以建立焊接连接；其中磁场角（28）在电弧持续期间变动，以通过轴向分量和/或径向分量（B_R、B_A）的数学符号在电弧持续期间至少变化一次来动态地影响电弧（24）。

Description

以变总体磁场角焊接部件至工件表面的螺柱焊方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于将部件焊接至工件表面的螺柱焊接方法，其包括的步骤有：将部件降低至工件的表面且接通电流；将部件升高离开工件，由此产生基本沿纵向方向取向的电弧，其中使用磁场影响该电弧，该磁场以相对于纵向方向的总体磁场角取向，且具有轴向分量和/或径向分量，且最后将部件降低至工件上，以建立焊接连接部。

本发明还涉及一种将部件焊接至工件的装置，特别是用于执行上述的方法，其包括可将部件保持于其上的部件夹具、通过其部件夹具以及保持在其上的部件可沿纵向方向移动的线性电机、用于连接电焊接电流源的电流源连接部、以及用于产生磁场的磁场产生装置，其能够通过所述磁场影响在部件和工件之间点亮的电弧，其中该磁场以相对于纵向方向的总体磁场角取向，且具有轴向分量和/或径向分量。

背景技术

在JPS39-27526中公开了该类型的螺柱焊接方法以及相应的装置。本文件公开了通过电弧将旋转对称的螺柱钉焊接在工件上，其中该电弧受磁场产生装置影响，该磁场产生装置具有电线圈和布置为相对于螺柱同中心且具有场形成器形式的轭架。在场形成器中的环形开口和螺柱之间产生空气间隙，其中磁场影响所述空气间隙中的电弧。在该示例中，场形成器被布置为使得磁场矢量相对于纵向轴线倾斜地取向，且因此磁场的径向分量和轴向分量作用在电弧上。通过径向分量使得电弧旋转。通过轴向分量使得电弧汇聚。

在DE102009054365A1中公开了类似的方法。

此外，DE10253415A1公开了一种焊接部件，其具有在工件上的细长的焊接表面，其中磁场产生装置沿该细长焊接表面前后移动电弧，其中当电弧已经达到端面的末端时磁场的极性被反转。

介绍部分中引用的日本文献在部件由非磁性材料(例如铝)构成时不能被使用，这是因为磁路由该部件闭合。

在介绍部分中引用的类型的焊接方法中(其中由铝或其他非磁性材料构成的部件被焊接至相应的工件上)，已知的是使用交流电流替代在上述方法中使用的直流电流来产生电弧。

和该背景技术相反的，本发明的目的是描述一种改进的螺柱焊接方法以及一种改进的螺柱焊接设备。

发明内容

该目标通过介绍部分中引用的类型的螺柱焊接方法实现，其中总体磁场角被故意地在电弧持续期间变动，以通过在电弧持续期间变动至少一次的径向分量和/或轴向分量的数学符号来动态地影响电弧。

上述目标通过介绍部分中引用的类型的装置实现，其中一种磁场产生装置被设计为变动关于纵向方向的磁场的总体磁场角，以通过在电弧持续期间变动至少一次的径向分量和/或轴向分量的数学符号来动态地影响电弧。

在本案中，电弧的动态影响被理解为指的是在将部件焊接至工件上的过程中影响电弧，其中该影响可涉及电弧的旋转方向以及聚焦(汇聚)和散焦。影响还可涉及电弧的类型或电弧中的电荷载体的类型。

术语“总体磁场角(generalmagneticfieldangle)”在该情形中被以下列方式理解。由于影响电弧的磁场并非均匀的，磁场角当在电弧的长度上观察时也非恒定的。但是，限定相应的磁场角的磁场强度的矢量优选地各自具有相同数学符号的径向分量和/或轴向分量。优选地，仅各矢量的径向分量和/或轴向分量的大小不同。特别地，总体磁场角可被理解为指的是中间磁场角(mediummagneticfieldangle)。

如果术语“磁场角”在下文中使用，其意图涉及总体磁场角。

可使用电方法和/或使用机械方法变动磁场角。

在本案中，部件优选地被理解为指的是基本旋转对称的部件，例如，具有圆形横截面的螺柱或诸如具有环形横截面的螺母的环形部件。因此，部件的焊接表面可为基本圆形或基本环形的，其中环形形状不必须为连续的。焊接表面的轮廓不必须为圆形的，而是可以是多边形。

根据本发明的焊接方法适用于任意类型的金属构成的部件。但是，在本示例中，特别重要的是该焊接方法能够用于由非磁性材料或略带磁性的材料(诸如铝、铝合金、不锈钢等)构成的部件。

用于产生电弧的电流可以是直流电流，但优选地是交流电流。因此，根据本发明的焊接方法高度可变，且可匹配至螺柱焊接的各种参数、边界条件和工艺流程。

影响电弧的磁场优选地相对于电弧的纵向轴线总体倾斜地取向，且由此具有径向分量和轴向分量。

作为变动径向分量和/或轴向分量的数学符号的结果，可将磁场矢量相对于电弧的纵向方向或相对于横向于电弧的纵向方向的平面倾斜，其中径向分量的数学符号、轴向分量的数学符号或该两个分量的数学符号都可变动。

在该案中，特别有优势的是总体磁场角在轴向分量和/或在径向分量处成镜像。

还可能总体磁场角旋转180°。

如果示例性地，电焊电流是直流电，则通过变动径向分量和/或轴向分量的数学符号，电弧的电子电荷载体可受影响，从聚焦至散焦或相反。

在该案中，聚焦优选地在旋转对称部件的示例中对称地发生，即，电弧在整个圆周上优选地被径向向内(聚焦)引导或径向向外(散焦)引导。聚焦和散焦取决于形成电弧的电荷载体的电荷类型。电荷载体可为离子和电子。离子是带正电的粒子。电子带负电，且具有和在材料铝中离子相比小500,000倍的质量。电弧也可主要仅含电子，特别是在铝或铝合金的示例中(在下文中统称为“铝”)。

优选的是能够确定对于形成电弧来说哪种类型的电荷载体重要。在该示例中，聚焦或散焦可以以故意的方式建立。这示例性地取决于电荷载体从氧化层逸出或是直接从熔体逸出。

总体地，至少在焊接铝部件时，优选的是确定焊接过程的边界条件，使得电弧电流基本仅包括电子。为了达到该目的，电弧电流的方向(即，所述电弧电流的极性)以及电弧中的磁场矢量的方向(相应的磁场角)是重要的。如果示例性地，轴向分量的数学符号在使用直流电的螺柱焊接期间变化，则电荷载体的旋转方向被保持。但是，每次磁场矢量的轴向分量的数学符号变化时，该电荷载体的聚焦或散焦发生变化。该数学符号的变化可优选地通过电弧长度的变化(焊接中提升的变化)而造成。

磁场矢量的径向分量对电荷载体的旋转方向有影响，且由此也决定所述电荷载体的聚焦或散焦。

磁场的轴向分量对电弧的聚焦/散焦具有影响。由于电荷载体可为带正电(离子)或负电(电子)，不论是使得正电荷载体聚焦且使得负电荷载体散焦，或相反，将总是针对具有轴向分量的特定磁场来实现的。

当交流电流被用作产生电弧的电流时，这意味着电流的数学符号在电弧持续期间至少变化一次(优选地不包括任意此前的清洁步骤)，仍然存在相当多的选项用于影响电弧。

首先，当焊接电流的极性变化且总体磁场角保持恒定时仍然有电弧的旋转方向的变化。

特别优选地是所述电弧由交流电流产生，该交流电流的极性在焊接过程期间至少发生一次变动，其中所述总体磁场角取决于极性的变化而变动，且特别地和该极性的变动同步地变化。

磁场角优选地和交流电流的极性变化同时变动。

如果示例性地，在通过交流电流的螺柱焊接期间，磁场矢量的径向分量的数学符号和电弧电流的极性的变化同步变化，则保持了电荷载体的旋转方向和聚焦或散焦。

其次，影响交流电流的极性和/或磁场角使得能够故意地反转旋转方向和/或在聚焦和散焦汇之间切换。

可以该方式在宽的范围上影响螺柱焊接过程，以最终实现良好的焊接结果。

根据又一优选的实施例，电弧由直流电流产生，其中通过变动磁场产生装置的部分的位置而变动总体磁场角。

可通过变动磁场产生装置的部分的位置或偏移该位置而影响磁场角。这优选地通过超出和所述平面垂直的轴线或径向平面倾斜的磁场角进行。以该方式超出纵向轴线或超出平面的倾斜可产生磁场的轴向分量和/或径向分量的数学符号的变化。换句话说，磁场矢量被朝向或远离螺柱轴向倾斜。

磁场产生装置的该部分可为磁场源，例如为永磁体。但是，磁场产生装置的该部分也可为磁体轭架或场形成器。如果通过变动磁场产生装置的部分的位置来变动磁场角，则相对简单的机械布置可施加轴向分量和/或径向分量的数学符号的变化。

在该实施例中，可通过磁场角的协同变化优化焊接结果，其中旋转方向保持不变，在任意时刻或取决于其他焊接参数，例如电弧电流。

通过偏移磁场产生装置的部分的位置来变动磁场角意味着能够使用不具有极性反转选项的磁场源，例如永磁体。

在该示例中，特别有利的是磁场产生装置的部分平行于所述纵向方向而移动。

由于，特别是在螺柱焊接的示例中，还针对其他部件产生轴向活动性(例如，针对螺柱的夹具)，结构上相对简单的是也将磁场产生装置的部分相对于纵向方向平行地移动。

总体地，还优选的是磁场由具有永磁体作为磁场源的磁场产生装置产生。不言而喻地是，磁场产生装置还可具有多个永磁体。使用相对于纵向方向平行取向(特别是相对于电弧的纵向轴线同中心)的永磁体是特别地优选的。

总体地，还能够使得形成磁场的磁场矢量的方向变化180°，例如从径向向内引导的磁场矢量至径向向外引导的磁场矢量。

此外，总体地，优选的是磁场由具有电线圈的磁场产生装置产生，且其中通过反转所述线圈的极性或变动所述线圈的接通状态而变动所述总体磁场角。

可通过反转用作磁场源的电线圈的极性或变动其接通状态(从接通至断开，或相反)来实现磁场的轴向分量和径向分量的数学符号的同时变化。由此，焊接电流源的极性的变化(在交流电的示例中)示例性地可被补偿，以保持旋转的方向，且在过程中将例如离子从聚焦变化至散焦，以及相反。此外，不言而喻的是磁场产生装置也可具有永磁体以及极性可反转的线圈。还可能的是一种磁场产生装置，其可具有线圈(特别地其极性可被反转)，以及磁场产生装置的部分，该部分的位置可被机械地变动。

在此外的优选实施例中，电弧的电荷载体由于磁场的径向分量而执行绕纵向方向的旋转运动，其中总体磁场角以保持旋转方向的方式变动。

由此，可通过变动磁场角来进行在电弧的聚焦影响和散焦影响之间的变动，示例性地其中电弧的旋转方向保持不变。

替换地，当电焊接电流是交流电流时，旋转方向也可保持不变。在该示例中，在焊接电流的极性变化的示例中，磁场角可和所述极性变化同步进行，使得旋转方向保持不变。

此外，总体地，优选的是电弧的电荷载体根据所述磁场聚焦或散焦，且磁场角以一方式变动，使得在电弧持续期间保持该聚焦或散焦。

如上所述，该实施例可和其中电弧的电荷载体的旋转方向被保持的实施例组合。

根据替换性实施例，电弧的电荷载体由于磁场而聚焦或散焦，其中磁场角以一方式变动，使得在电弧持续期间聚焦或散焦随着磁场角的变化而循环地交替。

由于该方法的结果，电弧可被影响，使得其熔化部件将焊接于其上的工件的表面的相对大的区域

在根据本发明的螺柱焊接装置中，优选的是磁场产生装置具有至少一个电线圈，能够反转该电线圈的极性以变动磁场角。

在其中磁场具有径向分量和轴向分量的示例中，反转线圈的极性的同时可变动磁场的径向分量和轴向分量，由此，示例性地，焊接电流源的极性的变化可被补偿，以保持旋转方向沿相同方向，且在过程中将例如离子从聚焦变化至散焦，反之亦然。

根据又一实施例，所述磁场产生装置的至少一个部分的位置可被偏移，以变动磁场角。

偏移磁场产生装置的部分的位置可示例性地导致磁场的轴向分量的数学符号变化，以由此影响电弧的聚焦/散焦和旋转方向。

磁场产生装置的该部分可为磁场源。但是，磁场产生装置的该部分也可为轭架，通过其磁场源和空气间隙之间的磁路闭合，电弧产生在所述空气间隙中。

根据特别地优选的实施例，其位置可被偏移的所述磁场产生装置的部分在焊接过程期间被牢固地连接至部件夹具或至布置于电弧周围的嘴型件。

在该实施例中，可使用一事实，在通用类型的螺柱焊接装置的示例中，需要能够在任意状况下将部件夹具沿纵向方向移动，以能够执行该螺柱焊接过程。因此，部件夹具的升高(对应于电弧的长度)可变动，以变动磁场角。

在螺柱焊接方法的优选变体中，还提供有嘴型件，所述嘴型件布置为在焊接过程中绕电弧，以降低来自外部的影响(保护性气体罩或鼓风效应的干涉)。在该实施例中，其位置可被偏移的磁场产生装置的该部分也可联接至该嘴型件。

总体地，当磁场产生装置具有永磁体时也是优势的。

该实施例被视作独立的发明，其和螺柱焊接装置或螺柱焊接方法是否允许磁场角在电弧持续期间变动无关。

尽管线圈被普遍地在现有技术中用作磁场源，使用永磁体具有很大的优势。这是因此永磁体可在显著更小的安装空间中产生显著更大的磁通密度，特别是当永磁体由稀土制成时。

该实施例在部件自身是非磁性的或仅为略微磁性的、且因此永磁体的连续存在的磁场对部件没有影响时是特别地优选的。由铝构成的部件在该示例中是特别地优选的。

根据又一优选实施例，部件是环形的，其中所述磁场产生装置的至少一个部分伸入所述部件的环形开口中。

在该实施例中，磁场可设计具有在部件的环形焊接表面的整个圆周上具有基本上径向的取向(加上可能小量的轴向分量)，从而电弧可被以对称的方式影响。在该示例中，磁场从径向在环形焊接表面内的一部分延伸至径向在环形焊接表面外的一部分，且因此优选地是该磁场产生装置的至少一部分被布置为径向在电弧之外。

伸入部件中的环形开口中的磁场产生装置的部分还可延伸通过该环形开口，且因此在邻接的空气间隙中的磁场被部件的形状以更小的程度影响。

在该示例中，当伸入部件中的环形开口中或延伸通过所述环形开口的磁场产生装置的部分呈永磁体的形式是特别地有利。

因此，能够使用本发明通过变化径向分量和/或轴向分量的数学符号而以被引导的方式朝向磁场的纵向轴线或远离其倾斜磁场矢量，该磁场在电弧产生区域中外部地相对于纵向方向对称地产生。由此，可施加电弧中的电荷载体的对称的聚焦/散焦。此外，可在焊接电流的极性变化的示例中阻止从聚焦至散焦的变化。还能够在极性的如此的变化的示例中阻止旋转方向的变化。

可将永磁体和/或电线圈用作磁场源。

具有磁场产生装置的径向外部部分的实施例也可在其中部件是实心的螺杆的实施例中是有利的。

可进行该焊接过程顺序，使得通过磁场产生装置的给定的布置，离子流可永久地对称聚焦，而不在焊接电流的极性的变化的示例中作用在磁场产生装置上。

此外，本发明使得支撑脚可沿纵向方向布置和/或保护气体嘴型件在电弧持续期间随着焊接电流的极性的变化而及时或同步地移动，以确保离子流在整个焊接过程上在极性变动的示例中永久地聚焦。

此外，一个或多个电线圈(螺线管)的电流的方向的进行可被反转，以在整个焊接过程上在焊接电流的极性的变动的示例中永久地保持离子流的对称聚焦。

能够使用具有恒定强度的单向磁场，以在极性的频繁变化的示例中且在电弧电流基本由电子构成的示例中实现非常好的焊接结果，而不论交替的对称聚焦/散焦。

部件可为具有通常的法兰或具有环形法兰的螺柱。部件还可为环形焊接螺母。部件特别优选地由非磁性材料,特别是铝(包括铝合金，其例如和锌、镁等合金化)，制成。

通过实例的方式，在铝的示例中，以及可能通过其他的有色材料，氧化表皮可在焊接过程期间影响焊接过程。

如果该氧化表皮在焊接过程期间保持基本完整直至部件最终降下，则电弧基本由电子形成。这可通过根据本发明的方法的合适的应用而实现。此外，取决于实施例，通过本发明可避免下列劣势：首先，能够避免提升高度必须过度地低，以避免鼓风效应(blowingeffect)。还能够避免过度低的提升高度，这可避免短路电路。

此外，可通过相对低的电流、极性的频繁变化和/或相对长的焊接时间来进行该焊接方法，以避免在合金的成分的蒸发温度之上的熔体的过度加热。还可避免电弧不以均匀地圆滑的方式延伸或保持在径向位置且由此导致非对称的熔化的示例。

可通过直流电流技术和通过交流电流技术两者执行本发明。示例性地可通过永磁体结合磁场产生装置的部分的位置的偏移而变动磁场角。替换地，可将电线圈结合永磁体使用，示例性地在该示例中，可通过接通和断开线圈或通过反转线圈的极性来变动磁场角。还能够通过两个电线圈建立磁场。

总体地，本方法可在电弧持续期间产生磁场产生装置的部分以及由此可能造成的部件自身的持续的提升运动。但是，提升运动发生使得优选地不和工件产生短路电路。

应理解上述特征以及下文中将说明的特征可不止以各自的示出的组合使用，而也可以其他组合或单独地使用，而不背离本发明的范围。

附图说明

将在下文的描述中更详尽地说明本发明的示例性实施例，且将其示出在附图中，其中：

图1示出了通过根据本发明的螺柱焊接装置的实施例的纵向截面的示意图；

图2示出了根据本发明的螺柱焊接装置的又一实施例的示意侧视图；

图2a示出了图2中的装置的磁场源的极性反转后的示例中的磁场矢量；

图3示出了图2中的装置，其具有其中位置被偏移且磁场角变动的磁场源；

图4示出了示出根据本发明的螺柱焊接装置的第一实施例的纵向部分的时序图；

图5示出了说明根据本发明的螺柱焊接装置的第二实施例的时序图；

图6示出了通过根据本发明的螺柱焊接装置的又一实施例的纵向部分的视图；

图7示出了图6的螺柱焊接装置，其具有位置被偏移的永磁体；

图8是示出了聚焦的电弧的示意图；

图9是对应于图8、用于示出散焦的电弧的视图；和

图10示出了通过根据本发明的螺柱焊接装置的又一实施例的纵向截面的示意图。

具体实施方式

在图1中，总体地以10标示根据本发明的螺柱焊接装置的第一实施例。螺柱焊接装置10用于将部件12结合至工件14，该部件12在当前示例中为焊接螺柱。为了更精确，部件12焊接至工件4的表面16，而不需要从工件14的背面的可访问。

部件12具有焊接表面13，该焊接表面在本示例中为环形表面。此外，焊接表面13可涉及为略微锥形地减薄，如所示。部件12是旋转对称的，且工件14示例性地是金属板等。

螺柱焊接装置10还包括示意地示出的部件夹具18，在焊接过程期间在该部件夹具上保持部件12。部件夹具18可由线性电机20(例如电动线性马达)前后移动，如20处所示。部件夹具18平行于部件12的纵向轴线21移动，所述纵向轴线附加地限定螺柱焊接过程的纵向方向或纵向轴线。

该螺柱焊接装置10还包括电流源22，通过其电流可施加至部件12和工件14之间，由此电焊接电流I可流动。

螺柱焊接方法可通过示出的螺柱焊接装置执行，所述螺柱焊接方法包含下列步骤：通过移动部件夹具18将部件12初始地降低至工件14的表面16，由此部件12的提升H等于零。电流源22继而被接通，由此电流在部件12和工件14之间流动。部件12继而被提起离开表面16，由此产生电弧，所述电弧在图1中由多个平行箭头示意地示出。箭头的方向取决于电流I的方向。

在焊接表面13和工件14的表面16的相对部分被部分地熔化时，部件12被再次降低至工件14上。这产生电短接电路，且电流源22被断开。整个熔化部固化，由此部件12被附着地连接至工件14。

提供了磁场产生装置26，以影响电弧，所述磁场产生装置在图1中示意地示出。磁场产生装置26被设计为将磁场耦合至电弧24的至少一部分中。由磁场产生装置产生的磁场27优选地相对于纵向轴线21对称。

磁场27可为均匀的，但其也可为非均匀的。在下文中，假设非均匀场也限定出中间总磁场矢量B_G。总磁场矢量B_G由径向分量B_R和轴向分量B_A组成。

径向分量B_R在电弧24的带电载体上产生洛伦茨力，所述洛伦茨力被引导为使得带电载体和由此形成的电弧24产生旋转。旋转的方向在图1中D处示意地针对负螺柱极性示出。

轴向分量B_A可通过作用在不相对于纵向轴线21平行地移动的载体上的力使得电弧24汇聚或发散。总磁场矢量B_G形成具有纵向轴线21的磁场角28。当磁场角28为零时，磁场仅由轴向分量组成。当磁场角28为90°时，磁场仅有径向分量。径向分量B_R和轴向分量B_A可被如所示地引导，即径向向内或轴向向下，但也可各自表现出相反的方向。

磁场产生装置26被形成为使得部件12不是磁场电路的组成部分。部件12优选地由有色金属制成，特别是由不可磁化或非磁性或仅可略微磁化或磁性的材料制成，诸如铝、不锈钢等。

部件12优选地是旋转对称的，且如所示，可为螺柱的形状，但也可为环形元件，此时其中焊接表面不是圆形的而是环形的。在该示例中，磁场产生装置26的一部分也可在部件12中径向地定位，以由此在磁场产生装置26的径向内部部分和磁场产生装置26的径向外部之间产生磁场(参见图7)。

在一个实施例中，由磁场产生装置26产生恒定的磁场角28。此外，电流源22在该实施例中为交流电流源。在该示例中，旋转方向在焊接过程期间在每一次电流源22的进行发生变换时被反转。为了仍然实现电弧电流的完整的360°旋转，交流电流I的频率在该示例中取决于电弧24中带电载体的速度。

但是，特别优选的是磁场产生装置26被设计为变动磁场角28。这可以电方式或使用机械措施进行。

当总磁场矢量B_G的磁场角28旋转超出径向平面或超出纵向方向，且其中磁场较的大小优选地仅略微改变时，径向分量B_R和/或轴向分量B_A的数学符号发生变化。由此，通过和极性的变化同步变动的磁场角28能够保持旋转方向D恒定，即使交流电流源22的极性发生变化。此外，可通过变动磁场角28影响电弧24的带电载体的聚焦或散焦，其中将注意到，在过程中，电弧24(特别是在铝部件12的示例中)可包括离子和电子或基本仅电子。因此，优选的是知道形成电弧24的点和载体的类型，以继而能够通过变动磁场角28来影响所述电弧的旋转方向和/或电弧24的聚焦/散焦。

其他的附图2至10示出了螺柱焊接装置的其他实施例，其关于设计和操作的方式总体地对应于图1的螺柱焊接装置。相同的元件由此通过相同的附图标记标示。主要地，将在下文中说明不同之处。

图2和3示出了螺柱焊接装置10'的第一实施例，其中磁场产生装置26'由具有以绕部件12旋转对称的方式轴向取向的磁场源形成。这产生磁场27，该磁场具有在电弧24的区域中在部件12和工件14之间的径向分量B_R和轴向分量B_A，由此形成总磁场矢量B_G，所述总磁场矢量被从图2中的纵向轴向21向下倾斜地导向。可通过反转磁场源26'的极性来将总磁场矢量B_G旋转通过180°，如图2中30处示意地示出的，由此径向分量B_R和轴向分量B_A两者的方向和数学符号发生变化。这在图2a中示出。在该示例中磁场角28的大小是恒定的，但磁场角28的数学符号发生变化。示例性地，正磁场角28在图2中示出，且负磁场角28在图2a中示出。

可例如在磁场源由电线圈形成时以电方式反转磁场源的极性。但是，总体地，也能够机械地旋转磁场源。

图3示出了另一实施例，其中磁场源26'没有旋转，但所述磁场源的位置相对于纵向轴线21平行地偏移。这以一方式变化磁场角28，使得轴向分量BA的数学符号在和图2比较时保持不变，而径向分量BR的数学符号在和图2比较时发生变化。磁场产生装置26或所述磁场产生装置的部分可通过位置偏移装置32相对于纵向轴线21平行地沿轴向方向移动。

图2示出了焊接电流I是负的，即，从部件12流至工件14。图3示出了焊接电流I的极性已经发生了变化。由于焊接电流的极性的变化以及伴随的总磁场矢量B_G的至少一个分量B_R的数学符号的变化，电弧24的电荷载体的聚焦或散焦以及旋转方向D两者可在焊接过程中保持不变。图2和3示出了磁场27可延伸通过部件12。在非磁性部件的示例中，磁场27还可沿部件12的外周界的外侧延伸，且在部件12的下表面处偏转进入电弧24的区域中。

附图2和3主要用于示出磁场矢量如何需要在结合区域中和电弧电流的极性的变化同步变化，以在整个焊接过程中保持电弧中的电荷载体的聚焦或散焦以及旋转的方向恒定。

附图2和3中的螺柱焊接装置也可实施螺柱焊接方法，如图4所示。在附图4中，将焊接电流I、电弧24的旋转方向D、总磁场矢量的径向分量B_R和所述总磁场矢量的轴向分量B_A在时间上制图。

在该示例中，图4示出了从部件12在焊接电流I接通之后已经被从工件14提升起的时刻t₁起的过程。在该时刻处，小的预焊接电流初始地流动直至时刻t₂处，所述预焊接电流在时刻t₂处直至时刻t₃转变成正焊接电流I。在时刻t₃处存在极性的变化，以及负焊接电流I从t₃流动至t₄。

磁场产生装置在时刻t₃处变动磁场的径向分量B_R的数学符号，而轴向分量BA在从t₁至t₄的整个阶段上保持数学符号。这示例性地对应着从图2中的视图至图3中的视图的总磁场矢量的变化。

该措施导致在从t₁至t₄的整个阶段上电弧的电荷载体的聚焦或散焦以及旋转方向D保持恒定，即使焊接电流的极性发生变化。在时刻t₄处，部分12被降低至工件14上，由此产生短路电路。焊接过程继而终止。

图5示出了螺柱焊接过程的替换实施例。在图5中，在时间上绘制出焊接电流I、部件12的提升H、电弧的旋转方向D以及轴向分量B_A和径向分量B_R。

如在图4的示例处，过程在时刻t₁处开始。小的预焊接电流流动直至时刻t₂处，所述预焊接电流在时刻t₂处直至时刻t₃转变成负焊接电流I。和图4相对地，根据图5的方法因此通过用作焊接电流的直流电流而被执行。

在图5的实施例中，磁场产生装置26被操作为使得所述磁场产生装置的至少一个部分沿和部件平行的轴向方向移动，其中部件的提升H在时刻t₃处变动，其具有恒定的焊接电流。在该实施例中，磁场产生装置26被设计为通过变动高度H而来变动轴向分量B_A的数学符号。但是，径向分量B_R的数学符号在t₁至t₄的整个时间阶段上保持恒定，由此通过变动提升H而在时刻t₃处进行从聚焦电弧至散焦电弧24的转变，如在下文中更详尽地描述的。旋转方向这该实施例中不变动，这是因为径向分量B_R保持恒定。

图6至7示出了根据本发明的螺柱焊接装置10”的又一实施例，所述螺柱焊接装置被设计为特别地用于执行图5的方法。在图6和7中示出的螺柱焊接装置10”的示例中，环形部件12”被焊接至工件表面16上。部件12’'可示例性地形为焊接螺柱，且具有环形焊接表面13”。

磁场产生装置26”具有形为条状磁体的永磁体36，其关于纵向轴线21同中心地布置。更精确地，至少一部分永磁体36延伸穿过部件12”中的环形开口。图6还示出了嘴型件34(例如用于供应保护性气体)被布置为绕电弧径向向外。

磁场产生装置26”还具有第一轭架元件38，其从可磁化材料制成，且连接至永磁体36的上端部。该第一轭架元件38嵌入在第一绝缘部分40中。

磁场产生装置26”还包括整合在嘴型件34中的第二轭架元件42。第二轭架元件42形为场形成器，且具有朝向电弧区域径向延伸的突出部。第二轭架元件42由第二绝缘部分44径向向内地绝缘。不言而喻的是第二绝缘部分44可在径向突出部的区域中断开。

第一轭架元件38和第二轭架元件42被彼此磁性地耦合，由此形成磁路，所述磁路具有在第二轭架元件(场形成器)42和条状磁体36的下端部之间的空气间隙。

图6还示出，在环形焊接表面13'’和工件14的表面16之间的电弧的轴向46被相对于纵向轴线21平行地偏移。磁路的空气间隙延伸通过该区域。在该示例中，通过示例性的方式建立具有向内导向的径向分量B_R和向上导向的轴向分量B_A的磁场，由此产生向上倾斜地导向的总磁场矢量B_G。

永磁体36以及可能地第一轭架元件38被固定地联接至部件夹具18”。通过以降低提升H的方式移动部件夹具18”，空气间隙中的磁场27以一方式变动，使得轴向分量B_A的数学符号变化，且由此总磁场矢量B_G被向下倾斜地径向导向。

由此，磁场角28可变动，如通过比较图6和7所示的。由此，示例性地，可通过变动提升H执行方法，如图5所示。

替换地，将交流电流用作焊接电流，如图4所示。在该示例中，可使用轴向分量B_A的数学符号的变化，以确保旋转方向D在焊接电流的极性变化的示例中保持不变。替换于此，可将该轴向分量B_A的数学符号的变化用于在电弧的聚焦和散焦之间切换。

图8中示出了聚焦电弧24，在所述聚焦电弧的示例中，电弧24的方向被相对于电弧轴线46径向向内地导向。图9中示出了散焦，在所述散焦的示例中，电弧的方向被相对于电弧轴线46径向向外地导向。

可通过在聚焦电弧和散焦电弧之间切换而增加工件14的表面16的部分熔化的部分的大小。还能够可选地阻止电弧熔化主导仅焊接表面13'和相对的表面16的径向内部区域。

图10示出了根据本发明的螺柱焊接装置10”'的又一实施例，所述螺柱焊接装置代表去影响图2至3中示意地示出的电弧的优选的方案。螺柱焊接装置10”'具有包括第一线圈50(或永磁体)和第二线圈52的磁场产生装置26”。第一线圈布置在沿轴向方向观察的顶部处，而第二线圈52布置在沿轴向方向观察的底部处，特别优选地是位于嘴型件34或支撑脚34之外。

在该实施例中，部件12再次为具有大致圆形焊接表面13的螺柱。

第一线圈50产生在结合区域中跨轭架元件42”和34的磁场，所述磁场，如图2所示，具有磁场矢量B_G，所述磁场矢量的轴向分量B_R被朝向工件14引导，且所述磁场矢量的径向分量B_R被朝向电弧的纵向轴线21引导。当焊接电流的极性变化时，第一线圈被断开，且第二线圈52接通。这产生在结合区域中跨轭架元件42”'和34的磁场，在所述磁场中径向分量B_R的方向变化180°(所述径向分量的数学符号已经变化)。这继而具有一影响，当焊接电流的极性变化时电弧中的电荷载体的聚焦和旋转方向不变动。

该影响还可通过将第一线圈50用永磁体替换而实现。第二线圈52现在具有在结合区域中产生径向分量B_R的任务，该分量很强，使得在结合区域中由永磁体产生的径向分量的作用的方向可旋转180°。但是，这可导致图10中的磁路的略微不同的几何构造和磁性设计。

图10中示出的实施例的优势是当工件仅可从一侧接近时在具有大表面积的工件上的螺柱焊接以及没有焊接飞溅的螺柱焊接是可能的，不论何种电荷载体构成了电弧。

图10还示出了特定的尺寸，特别是焊接表面直径54、在第二线圈52和纵向轴线21之间的径向距离56、可通过位置偏移装置32”'沿轴向方向偏移的轭架元件42”'的提升58、第一线圈50的轴向高度60以及在场形成器42”'和部件12的外周界之间的径向距离62。

上述尺寸可如下地链接。示例性地，提升H可小于直径54，特别是小于直径54的一半。另一提升58可示例性地大于提升H，特别地是提升H的两倍高。第二线圈52可布置为在焊接过程期间和最大提升H大致平齐。第一线圈50的高度60可至少为最大提升H的三倍高，且最多为最大提升H的五倍高。

径向距离62优选地在焊接表面直径54的一半的大的量级上。径向距离56优选地为约焊接表面直径54的两倍。

可通过提供两个线圈50、52来实现关于影响电弧24的高度的可变性，该两个线圈可各自优选地被接通和断开，且进一步优选地能够针对所述线圈的每一个的极性而被切换。

其中电子被相对于纵向轴线21对称地散焦以及离子被相对于纵向轴线21对称地聚焦的电弧电流可示例性地通过该种类型的两个线圈产生，特别是通过旋转方向在整个焊接过程中保持不变且焊接电流的极性变化。

离子的聚焦可在该示例中阻止焊接飞溅。这示例性地通过被交替地接通和断开的线圈50、52实现，特别是和焊接电流I的极性的变化同步。类似的方法还可在磁场产生装置26仅具有一个永磁体36(附图6和7)且当提升H和焊接电流的极性的变化同步地变动时实现。

Claims

1.一种用于将部件(12)焊接至工件(14)的表面(16)的螺柱焊接方法，其包括下列步骤：

将部件(12)降低在工件(14)的表面(16)上，且接通电流(I)；

将部件(12)提升离开工件(14)，使得产生基本沿纵向方向(21)取向的电弧(24)；

使用磁场(27)影响电弧(24)，其中该磁场(27)以相对于所述纵向方向(21)的总体磁场角(28)取向，且具有轴向分量(B_A)和/或径向分量(B_R)；且

将该部件(12)降低至工件(14)上，以建立焊接连接部；

其中所述总体磁场角(28)在电弧持续期间变动，以通过在电弧持续期间上变动至少一次所述径向分量和/或所述轴向分量(B_R，B_A)的数学符号来动态地影响该电弧(24)，

其特征在于

电弧(24)的电荷载体根据所述磁场聚焦或散焦，且其中所述磁场角(28)以一方式变动，使得在电弧持续期间保持该聚焦或散焦，或者所述磁场角(28)以一方式变动，使得在电弧持续期间该聚焦或散焦随着所述磁场角(28)的变化而循环地交替。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述总体磁场角(28)被在所述轴向分量(B_A)和/或所述径向分量(B_R)处镜像。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述总体磁场角旋转180°。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中所述电弧(24)由交流电流(I)产生，该交流电流的极性在焊接过程期间至少发生一次变动，且其中所述总体磁场角(28)和该极性的变动同步地变化。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述电弧(24)由直流电流(I)产生，且其中通过变动磁场产生装置(26)的部分的位置而变动所述总体磁场角(28)。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述磁场产生装置(26)的所述部分平行于所述纵向方向而移动。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中所述磁场由具有永磁体的磁场产生装置产生。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中所述磁场由具有电线圈的磁场产生装置产生，且其中通过反转所述线圈的极性或变动所述线圈的接通状态而变动所述总体磁场角。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中所述电弧(24)的电荷载体根据所述磁场(27)的径向分量(B_R)执行绕所述纵向方向的旋转运动，且其中所述总体磁场角被以一方式变动，使得该旋转的方向被保持。

10.一种用于在工件(14)上螺柱焊接部件(12)的设备(10)，用于执行根据权利要求1至9中任意一项的方法，包括

部件夹具(18),在其上能保持部件(12)，

线性电机(20)，通过其部件夹具(18)和保持在其上的部件(12)能沿纵向方向(21)移动，

电源连接部，用于连接电焊接电流源(22)，以及

磁场产生装置(26)，用于产生磁场(27)，其能够通过所述磁场影响在所述部件(12)和所述工件(14)之间产生的电弧(24)，其中所述磁场(27)以相对于纵向方向(21)的总体磁场角取向，且具有轴向分量(B_A)和/或径向分量(B_R)，

其中所述磁场产生装置(26)被设计为关于纵向方向(21)变动所述磁场(27)的总体磁场角(28)，以通过在电弧持续期间上变动至少一次所述径向分量和/或所述轴向分量(B_R，B_A)的数学符号来动态地影响该电弧(24)，

其特征在于

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，所述磁场产生装置(26)具有至少一个电线圈(50、52)，该电线圈的极性能够反转以变动所述磁场角(28)。

12.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述磁场产生装置(26)的至少一个部分的位置可被偏移，以变动所述磁场角(28)。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，其位置可被偏移的所述磁场产生装置(26)的所述部分在焊接过程期间被牢固地连接至所述部件夹具(18)或至布置于电弧(24)周围的嘴型件(34)。

14.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述磁场产生装置(26)具有永磁体(36)。

15.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述部件(12)是环形的，其中所述磁场产生装置(26)的至少一个部分突起进入所述部件(12)的环形开口中。

16.如权利要求10或11所述的设备，其特征在于，所述磁场产生装置(26)的至少一部分部件布置为径向地在所述电弧(24)之外。