CN109689269B - 用于清洁以及将接合元件接合到工件上的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于将接合元件(18)接合到工件(20)上的方法(50)，特别是用于螺柱焊接或螺柱胶合的方法，其特征在于以下步骤：提供接合元件(18)和工件(20)，所述接合元件(18)将接合到所述工件(20)上；检测所述工件(20)和/或所述接合元件(18)的至少一个特征变量(52)；评估所述至少一个特征变量，并将所述至少一个特征变量分类为至少第一变量类和第二变量类中的一者(54)；如果所述至少一个特征变量被分类为所述第一变量类，则执行接合过程(58；64)；以及如果所述至少一个特征变量被分类为所述第二变量类，则对所述工件(20)和/或所述接合元件(18)执行清洁过程(66)，并且在所述清洁过程(66)之后，执行接合过程(68)。

Description

用于清洁以及将接合元件接合到工件上的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于将接合元件接合到工件上的方法，特别是用于螺柱焊接或螺柱胶合的方法。

本发明还涉及一种用于将接合元件接合到工件上的接合装置，特别是用于实现上述方法的接合装置，其中接合装置具有接合头，该接合头包括用于接合元件的保持设备，并且借助该保持设备，接合元件可相对于工件沿接合轴线移动。

背景技术

例如在所谓的螺柱焊接或胶合领域，这种接合方法和相关的接合装置是众所周知的。

在这方面，螺柱以这样的方式接合到诸如金属板等工件上：螺柱相对于工件的表面垂直地突出。以这种方式接合的部件可用于例如将塑料夹子紧固到螺柱上。夹子可以用于例如相对于工件固定管道或线缆，例如燃料管线或制动管线。因此，通用类型的接合方法特别用于机动车辆的车身制造领域。

在螺柱焊接中，在接合元件和工件之间建立电流，其中接合元件相对于工件升高，从而在它们之间使得电弧通过。电弧导致工件和接合元件相对的表面熔合(或熔化)。此后，将接合元件下降到工件上，使得电接合电流短路。整个熔体硬化，并且结束接合过程。

在螺柱胶合中，接合元件通常利用可激活的粘合剂预先设置在接合表面上。然后通过激活粘合剂实现螺柱胶合。此后，将接合元件和工件彼此压在一起，最后使粘合剂固化。这可以通过使用各种外部因素(特别是通过加热)来完成。

这种接合连接的质量，这不仅是取决于实际接合过程。这里，工件(也可能是接合元件)的材料特性和表面质量对接合连接的质量也起了重要的作用。这适用于工件和接合元件由钢制成的情况。特别是，当工件和接合元件分别由铝合金制成时，存在这些问题。

在基于铝合金的接合连接中，工件特性的变化尤其明显。这些性质可包括铝合金是否由回收材料构成。另外，确切地说，特别是在挤塑成型材料的情况下，在上层的不均匀的晶粒尺寸方面会出现问题，该层可以达到最多1mm的深度。

这种不均匀的晶粒尺寸会导致不同的导电率。因此，这可以影响通过电弧的电流。

此外，许多工件是在铸造过程中生产的。这产生了表面涂有脱模剂的问题，脱模剂可以由蜡、油、聚硅氧烷、烃、聚合物等构成。特别是当这种脱模剂的涂层在整个区域上不均匀时，很难适当地调整接合参数。在涂有碳的情况下，这会导致焊接接头中的孔或收缩孔，因此总体上导致焊接接头的较高孔隙率，这会不利地影响焊接接头的强度。

此外，合金元件会对可焊性产生影响。

一般而言，尽管要求物料具有限定或规范的表面规格，但是实践上，并不总是适当地观察这些接合过程是根据接合参数特别定制的表面规格。

在螺柱焊接领域中，已知在实际螺柱焊接过程之前执行电弧清洁过程(“电弧清洁(clean flash)”)。在这方面，在实际焊接过程之前，建立具有交替极性的电弧，基于该电弧，杂质被电离并从工件表面剥离。该过程的一般问题是杂质其后附着在螺柱上的另一个接合表面上，因此，在这种情况下，在一致的接合连接方面也会出现问题。

发明内容

在此背景下，本发明的目的是限定一种用于将接合元件接合到工件上的改进方法和一种用于此目的的改进的接合装置。

一方面，上述目的通过一种用于将接合元件接合到工件上的方法来实现，特别是通过用于螺柱焊接或螺柱胶合的方法来实现，其特征在于以下步骤：提供接合元件和工件，所述接合元件将接合到所述工件上；检测所述工件和/或所述接合元件的至少一个特征变量；评估所述至少一个特征变量，并将所述至少一个特征变量分类为至少第一变量类和第二变量类中的一者；如果所述至少一个特征变量被分类为所述第一变量类，则执行接合过程；以及如果所述至少一个特征变量被分类为所述第二变量类，则对所述工件和/或所述接合元件执行清洁过程，并且在所述清洁过程之后，执行接合过程。

此外，上述目的通过一种用于将接合元件接合到工件上的接合装置来实现，该接合装置包括：接合头，其具有用于接合元件的保持设备，并且借助所述保持设备，所述接合元件能相对于工件沿接合轴线移动；检测设备，其用于检测所述工件和/或所述接合元件的至少一个特征变量；评估设备，其用于评估所述至少一个特征变量；以及清洁设备，其用于对所述工件和/或所述接合元件执行清洁过程。

在根据本发明的方法中，首先可以通过检测工件和/或接合元件的至少一个特征变量来对工件或其表面进行分类。在这种情况下，不言而喻的是，优选地检测工件的表面部分(接合元件将接合到该表面部分上)的至少一个特征变量。

此外，在根据本发明的方法中，可以对工件进行分类(并对工件的几个区域进行分类)，然后进行清洁(如果需要的话)，并且当整个工件或工件的至少一部分被清洁时，执行一个或多个接合步骤。

这里，特征变量可以涉及材料、表面质量、表面精加工或处理、表面上的碳涂层、纯度，在铸造工件的情况下可以涉及脱模剂，还可以包括相对量，例如工件材料相对于接合元件材料的相对量。

以下的重点放在这样的优选变型上：其中仅检测工件的至少一个特征变量。然而，除非另外明确说明，否则以下对工件变量的检测和评估的所有参考应同样涉及对接合元件的变量的检测或评估。

该至少一个特征变量的检测优选地通过自动化装置实现，确切地说优选地借助合适的检测设备实现。这个或这些检测设备可以包括合适的传感器，传感器纯粹被动地或者主动地操作，使得工件经受物理过程，之后通过传感器检测工件的反应。

检测步骤使工件能够在随后的评估步骤中分类。在这方面，在第一变量类和第二变量类之间进行区分。检测步骤可包括将工件的一个或多个特征变量组合成一个可变量。随后，例如可以确定该可变量是否落入第一值范围或第二值范围，于是可将其等同于评估和将至少一个特征变量分类为第一变量类或第二变量类的分类。

在分类为第一变量类的情况下，这实际上意味着工件或其表面适合于接合，而无需预先执行清洁过程。例如，如果要将接合元件接合到工件的相对受较小污染的表面部分上，则可以分类为第一变量类，从而随后在没有预先清洁过程的情况下执行接合过程。第一变量类中的分类在此可以表示随后的接合过程利用标准接合参数执行或者利用变改的接合参数执行，这将在下面进一步详细描述。

在评估步骤中将至少一个特征变量分类为第二变量类时，这意味着在没有预先执行清洁过程的情况下不执行接合过程。因此，在这种情况下，首先对工件和/或接合元件执行清洁过程，并且仅在此之后执行接合过程。

在这里，清洁过程不是电弧清洁过程，而是独立于接合过程执行的清洁过程。

清洁过程优选地在这样的阶段中执行：接合元件已经位于接合头的保持设备中，并且被分配到工件上的特定位置(接合部位)。特别是当用于执行清洁过程的清洁设备设置在接合头上时，这是有利的。

作为选择，可以预先(甚至可能在将接合元件送入接合头的保持设备之前)分别对例如要固定多个接合元件的工件上的适当接合位置进行评估，以便在必要时在这些位置连续地分别执行清洁过程。因此，可以例如对工件共同进行清洁过程，以便随后将所有接合元件紧固到工件上，在这种情况下，在接合过程之间，优选地不再需要进一步的清洁过程。

因此完全实现了该目的。

根据优选实施例，使用清洁介质执行清洁过程。

清洁介质可以是气体、液体或固体。优选地，清洁介质在工件上的施加借助单独的清洁设备实现，该清洁设备将清洁介质引导到接合表面上，特别是引导到工件上的接合部位上。清洁介质在此不是电清洁介质，特别不是电弧。

用于施加清洁介质的清洁设备优选地与用于执行接合过程的系统分离并且独立于该系统。

根据特别优选的实施例，清洁介质包括气体，例如等离子气体，特别是TIG等离子气体。

根据另一优选实施例，清洁介质具有冰射流(ice jet)，例如CO2雪射流。

另外，有利的是，检测步骤包括以下检测过程中的至少一个：接触电阻测量、导电率测量和荧光测量。

此外，整体上有利的是，利用标准接合参数或者已经相对于标准接合参数进行了变改的接合参数来执行每个单独的接合过程，并且其中使用标准接合参数执行在清洁过程之后执行的接合过程。

接合过程的标准接合参数是假设工件表面位于最佳区域的类型的参数。因此，可以利用标准接合参数实现接合。

接合参数例如可以是焊接电流、在执行接合过程期间接合元件在工件上方的高度(电弧的长度)、保持电弧的时间等。

根据另一个优选实施例(其构成原始发明的另一特征部分)，利用标准接合参数或者已经相对于标准接合参数进行了变改的接合参数来执行每个单独的接合过程，其中该方法具有以下步骤：提供接合元件和工件，所述接合元件将接合到所述工件上；检测所述工件和/或所述接合元件的至少一个特征变量；评估所述至少一个特征变量；以及如果所述至少一个特征变量位于第一值范围内，则使用标准接合参数执行所述接合过程，或者如果所述至少一个特征变量位于第二值范围内，则使用变改的接合参数执行所述接合过程。

在该实施例中，至少一个特征变量被分类为第一值范围或第二值范围。两个值范围优选地位于第一变量类中。换句话说，一旦确定基本上可以执行接合过程而无需执行预先清洁过程，则实现对至少一个特征变量的评估以及对第一值范围或第二值范围的分类。

换句话说，在本发明的这个方面中，优选地在已经建立了用于没有预先清洁过程的接合过程的工件的一般适用性之后，通过评估至少一个特征变量来确定是否使用标准接合参数或使用变改的接合参数来执行接合过程。

优选地，变改的接合参数的调整与至少一个特征变量相关，从而根据至少一个特征变量对接合参数进行变改。

因此，如果至少一个特征变量位于第二值范围内，当它位于远离第一值范围的第二值范围的端部时，则可以使用另一组变改的接合参数，例如其中第二值范围内的至少一个特征变量更接近第一值范围。

总之，在根据本发明的方法中，进一步有利的是，清洁过程被执行0.1秒到5秒的时间段。

优选地，清洁过程的持续时间小于2秒。这里，清洁过程可以在该时间段内连续执行，或者可以在该时间段内间歇地执行，例如在该时间段内间歇地执行2到20次。

优选地，清洁过程的时间段小于/等于接合过程的时间段，从而通过根据本发明的方法不会产生延长的周期时间。

根据另一个整体优选实施例，在所述清洁过程之后，再次检测所述至少一个特征变量，并且随后在执行所述接合过程之前，再次执行所述至少一个特征变量的评估。

如果在执行清洁过程之后特征变量仍不在第一变量类内，则这使得可以在必要时一个接一个地执行多个清洁过程。此外，必要时，可以确定后续的接合过程是用标准接合参数还是用变改的接合参数执行，尽管有利的是，在清洁过程之后，通常用标准接合参数实现接合。

最后，还有利的是，在接合过程之后执行补充清洁过程。

补充清洁过程尤其可以用于去除在接合过程期间产生的烟渣，从而能够提供包括工件和接合到工件上的接合元件的清洁部件。

此外，有利的是，使用标准接合参数或使用变改的接合参数来执行所述接合过程，其中所述接合参数包括所述接合过程是否包括先行或前置的电弧清洁过程。

换句话说，在使用单独的清洁设备的清洁过程之后，例如，当至少一个特征变量被分类到第二值范围时，可以在必要时执行电弧清洁过程(“电弧清洁”)。

在根据本发明的接合装置中，优选的是，所述清洁设备固定在所述接合头上，在这种情况下，优选的是，所述清洁设备地相对于接合轴线以10°和45°之间的角度取向。

这可以清洁工件的表面区域(该表面区域位于接合元件下方)，如果接合头已经接纳接合元件并且将接合元件保持在保持设备中，则因此清洁在执行实际接合过程不久之前进行。

根据另一优选实施例，检测设备固定到接合头。

这可能是有利的，特别是当检测设备是被动检测设备时。然而，通常检测设备一旦固定到接合头上，就可以向工件施加物理量，然后测量该物理量，即使当检测设备包括主动部件时也是如此。

用于将接合元件接合到工件上的方法在上面被概括地描述。然而，根据本发明的方法也适用于要对工件执行的其他接合过程，例如，即使当两个工件例如经由焊缝要接合在一起时也是如此。

在这种情况下，也可以预先检测工件和/或其它工件的特征变量，并将它们分类为第一类和第二类，然后如果至少一个特征变量落入第一变量类，则随后立即执行接合过程，或者可以预先执行与电弧或一些其他接合量无关的清洁过程。

因此，根据本发明的方法还可以集中于：提供彼此要连接的第一工件和第二工件，并随后检测一个工件(优选地，两个工件)的至少一个特征变量，以及随后评估这些特征变量。

不言而喻的是，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面还要说明的特征不仅可以在各自所述的组合中使用，而且可以在其他组合中使用或单独使用。

附图说明

附图中示出了本发明的说明性实施例，并且在以下描述中更详细地解释了本发明的说明性实施例，其中：

图1示出了根据本发明的接合装置的实施例的示意图；

图2示出了根据本发明的示例性接合方法的时序图；以及

图3示出了根据本发明的示例性方法的流程图。

具体实施方式

在图1中，接合装置以示意图的形式表示，并且通常用附图标记10表示。

接合装置10包括接合头12或接合枪，其中接合头12优选地固定到机器人16的臂部14，因此可在空间中三维移动。

接合装置用于将接合元件18接合到工件20上。接合元件尤其可以是螺柱。工件20尤其可以是金属板。接合装置10优选用于机动车辆的车身制造领域。

工件20和接合元件18的材料分别优选为铝或铝合金。

为了执行接合过程，接合元件18被保持在接合头12的保持设备24中并且沿着接合轴线22定向，接合轴线22优选地垂直于工件20的表面。

保持设备24优选地连接到电源26，并且配置成将接合电流i传输到接合元件18中。如图1所示，工件20连接到例如地(或接地源)。

在图1中进一步示出，接合装置10可以具有装料或送料设备28，借助该装料或送料设备，可以通过自动化装置将接合元件(由图1中的T表示)驱动到保持设备24。

为了获得一致的接合结果，接合装置10包括检测设备32，检测设备32配置成检测工件20的至少一个特征变量，例如表面质量、表面特征等。表面质量和表面特征是指结构的任何特性，而不仅仅是表面污染。可以考虑诸如晶粒尺寸、表面质量或粗糙度等材料结构。检测设备32可以设置成与接合头12分开，但也可以如图1所示那样固定在接合头12上。在这种情况下，优选的是，检测设备32沿着检测轴线34定向，检测轴线34相对于接合轴线22呈角度α。该角度α的范围例如可以为10°到45°。

接合装置10还包括清洁设备36。清洁设备36设计成将清洁介质R施加到工件20的表面。清洁设备36可以配置成与接合头12分开。然而，例如如图1示意性所示，清洁设备36固定在接合头12上。在这种情况下，优选的是，清洁设备36沿着清洁轴线38定向，清洁轴线38相对于接合轴线22以角度β定向。角度β的值例如同样可以在10°至45°的范围内。

接合装置10还包括评估设备40，评估设备40设计成用于评估由检测设备32检测到的工件20的特征变量。评估设备40可以与接合头12分开布置，但也可以集成在接合头12或电源26中。

在图2中以示意图形式表示时序图44，图2示出了检测过程E、清洁过程R、电弧清洁过程C和接合过程F。

在根据本发明的方法的实施方式中，首先，在时间段TE中，如图2中的E所示，检测工件的至少一个特征变量。

此后，评估该至少一个特征变量，这未在图2中示出。如果该至少一个特征变量被分类为第一变量类，则直接在此之后可以执行接合过程F，可选地在中间执行电弧清洁过程C。

为了表示接合过程F，图2示出了在执行接合过程期间接合元件18相对于工件20的表面的高度h，以及通入保持设备并因此通入接合元件18的电流i的量。

在将接合元件18降低到工件20的表面上(h＝0)之后开始接合过程F。此后，接通电流i，并使得引导电弧通过(i＝iP)。随后，接合元件18从工件20升起。在此之后，电流i可以从iP增加到焊接电流iS，以便熔合相互接合的表面。此后，工件再次下降，确切地说，优选地降低到工件20的表面下方，从而形成短路并且电流i降低到0。由此，结束了接合过程F。

可选地先前执行的电弧清洁过程C包括产生至少一次具有相反极性的电弧，借助该电弧，工件20的表面上的电离部件在朝向接合元件18的方向上行进。

在检测过程E和随后的评估之后，确定至少一个特征变量是否属于第一变量类或第二变量类。当被分类为第一变量类时，如上所述，可以省略图2中表示的后续清洁过程R，并且可以直接进行到接合过程F，接合过程F在时间TF发生，必要时，在时间TC中的一个间隙或时间段进行先行或前置的电弧清洁。

在至少一个特征变量落入第二变量类的情况下，执行清洁过程R，确切地说，使用清洁设备36和清洁介质在时间段TR执行清洁过程R，时间段TR优选地在0.1秒至5秒的范围内，但优选小于3秒，特别是小于2秒。

在此之后，执行接合过程F，必要时，进行先行或前置的电弧清洁过程C。

在图3中以框图50的形式示出了根据本发明的方法的示例性实施例。

方法50包括：在检测步骤52启动之后，检测工件20的至少一个特征变量。

在随后的评估步骤54中，评估至少一个特征变量并将其分类为第一变量类或第二变量类。在分类成第一变量类的情况下，进一步评估至少一个特征变量是否落入第一变量类内的第一值范围或第二值范围。

如果工件20的至少一个特征变量落入第一变量类的第一值范围，则在询问步骤56中，确定随后的接合过程F可以用标准接合参数执行，并且随后如58处所示执行该接合过程。随后该方法结束。

在至少一个特征变量不落入第一值范围的情况下，在随后的询问步骤60中，询问该至少一个特征变量是否落入第一变量类内的第二值范围。如果是这种情况，则在步骤62中，调整接合参数，以便利用变改的接合参数执行后续接合过程64。在此，优选地根据该至少一个特征变量来进行接合参数的调整。

在步骤60中确定出至少一个特征变量落入第二变量类的情况下，在此之后，在步骤66中，首先执行清洁过程。

此后，进行接合过程68，确切地说优选地使用标准接合参数进行接合过程68。

在接合过程58、64、68之后，该方法通常分别结束。然而，必要时，也可以执行随后的补充清洁过程70，在清洁过程70中，例如，移除由于焊接操作而造成的烟渣痕迹。例如，可以使用与清洁过程66相同的清洁介质来实现该补充清洁过程。

在图3中，进一步示出，在执行清洁过程66之后，可选地执行环回(loopback)，使得在52处发生至少一个特征变量的检测，并且在此之后，根据至少一个特征变量的评估来同样执行随后的步骤。

在另一个实施例中，可以首先对工件进行分类(或对工件的几个区域进行分类)，然后执行清洁(如果需要的话)，并且当整个工件或工件的至少一部分被清洁时，执行一个或几个接合步骤。因此，可以在评估特征变量并将所述特征变量分类为第一变量类之后执行几个接合过程。

还可以在评估特征变量并将所述特征变量分类为第二变量类之后执行几个清洁过程。在清洁过程之后，执行几个接合过程。

根据本发明，评估和评价包括将数值分组到结果变量，然后这允许选择正确的接合参数组。

Claims (15)

1.一种用于将接合元件(18)接合到工件(20)上的方法(50)，特别是用于螺柱焊接或螺柱胶合的方法，其特征在于以下步骤：

–提供接合元件(18)和工件(20)，所述接合元件(18)将接合到所述工件(20)上；

–检测所述工件(20)和/或所述接合元件(18)的至少一个特征变量的检测步骤(52)；

–评估所述至少一个特征变量，并将所述至少一个特征变量分类为至少第一变量类和第二变量类中的一者；

–如果所述至少一个特征变量被分类为所述第一变量类，则执行接合过程；以及

–如果所述至少一个特征变量被分类为所述第二变量类，则对所述工件(20)和/或所述接合元件(18)执行清洁过程，并且在所述清洁过程之后，执行接合过程；

其特征在于，所述清洁过程是独立于所述接合过程执行的清洁过程，并且使用清洁介质(R)执行所述清洁过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述清洁介质(R)包括气体。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述清洁介质(R)包括冰射流。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述检测步骤(52)包括以下检测过程(E)中的至少一个：接触电阻测量、导电率测量和荧光测量。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，所述检测步骤(52)包括以下检测过程(E)中的至少一个：接触电阻测量、导电率测量和荧光测量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测步骤(52)包括以下检测过程(E)中的至少一个：接触电阻测量、导电率测量和荧光测量。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，利用标准接合参数或者已经相对于所述标准接合参数进行了变改的接合参数来执行每个单独的接合过程，并且其中使用所述标准接合参数执行在所述清洁过程之后执行的所述接合过程。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，利用标准接合参数或者已经相对于所述标准接合参数进行了变改的接合参数来执行每个单独的接合过程包括以下步骤：

–提供接合元件(18)和工件(20)，所述接合元件(18)将接合到所述工件(20)上；

–检测所述工件(20)和/或所述接合元件(18)的至少一个特征变量；

–评估所述至少一个特征变量；以及

–如果所述至少一个特征变量位于第一值范围内，则使用标准接合参数执行所述接合过程，或者如果所述至少一个特征变量位于第二值范围内，则使用变改的接合参数执行所述接合过程。

9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，所述清洁过程被执行0.1秒到5秒的时间段(TR)。

10.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述清洁过程之后，再次检测所述至少一个特征变量，并且随后在执行所述接合过程之前，再次执行所述至少一个特征变量的评估。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，在所述接合过程之后，执行补充清洁过程。

12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中，使用标准接合参数或使用变改的接合参数来执行所述接合过程，其中所述接合参数包括所述接合过程是否包括先行的电弧清洁过程(C)。

13.一种用于将接合元件(18)接合到工件(20)上的接合装置(10)，用于实现根据权利要求1至12中任一项所述的方法的接合装置(10)，包括：

–接合头(12)，其具有用于接合元件(18)的保持设备(24)，并且借助所述保持设备(24)，所述接合元件(18)能相对于工件(20)沿接合轴线(22)移动；

–检测设备(32)，其用于检测所述工件(20)和/或所述接合元件(18)的至少一个特征变量；

–评估设备(40)，其用于评估所述至少一个特征变量；以及–清洁设备(36)，其用于对所述工件(20)和/或所述接合元件(18)执行清洁过程。

14.根据权利要求13所述的接合装置，其中，所述清洁设备(36)固定在所述接合头(12)上，并且其中所述清洁设备(36)优选地相对于所述接合轴线(22)以10°和45°之间的角度(β)取向。

15.根据权利要求13或14所述的接合装置，其中，所述检测设备(32)固定在所述接合头(12)上。

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