CN113507998A - 用于将栓柱焊接至工件的栓柱焊接方法和栓柱焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将栓柱(6)焊接至工件(2)的栓柱焊接方法和栓柱焊接装置(1)，其中，借助脉冲焊接电流(I_s)在栓柱(6)的面对工件(2)的面(7)和工件(2)之间产生电弧(LB)，并且借助通过电流(I_A)流过的线圈(3)产生的磁场使电弧(LB)偏转。根据本发明，通过产生磁场以使电弧偏转的线圈(3)的电流(I_A)与焊接电流(I_S)同步地且被反相地控制，使得在焊接电流(I_S)最小时始终为线圈(3)施加电流(I_A)，并且在焊接电流(I_S)最大时，断开线圈(3)或将通过线圈(3)的电流(I_A)降低到最小值。

Description

用于将栓柱焊接至工件的栓柱焊接方法和栓柱焊接装置

技术领域

本发明涉及用于将栓柱焊接至工件的栓柱焊接方法，其中，借助脉冲焊接电流在栓柱的面对工件的面和工件之间产生电弧，并且借助由电流流过的线圈产生的磁场使电弧偏转。

本发明还涉及用于将栓柱焊接至工件的栓柱焊接装置，该焊接装置具有用于提供脉冲焊接流以便在栓柱的面对工件的面和工件之间产生电弧的焊接电源和用于产生磁场以使得电弧偏转的线圈。

本发明涉及一种栓柱焊接方法和一种栓柱焊接装置，其中，将栓柱焊接至工件。对此，在栓柱的面对工件的端侧和工件之间点燃电弧并且由此使栓柱以及工件局部熔化。然后在低的压力下将栓柱与工件连接。以这种方式例如可将螺丝、栓柱、轴套、钩子或吊环与较大的工件连接。

背景技术

由于电弧在栓柱的端面和工件之间在栓柱和布置于其下的工件的部分的整个横截面上没有均匀分布，导致栓柱和工件的端面的不均匀熔化，由此会影响焊接连接质量。

一般的栓柱焊接方法例如由DE 10 2007 039 308 A已知。其中没有提及使用电磁场使电弧偏转来改进栓柱的端面的熔化。

为了补救有借助电磁场使电弧偏转的方法和装置。例如EP 1 649 962 B1描述了用于焊接实心材料制成的、具有锥形的、稍微倾斜的端面的栓柱的方法和系统，其中，通过施加横向磁场，电弧以螺旋形扫过栓柱的整个端面并随后均匀地熔化整个端面。通过端面的特殊设计实现了电弧在栓柱的整个端面上的螺旋形地扫过。在此不利的是，待与工件连接的栓柱必须具有特定的形状并且不是任意的栓柱都可适用于该焊接方法。

DE 102 21 387 C1描述了另一种栓柱焊接方法，在该栓柱焊接方法中可以通过非对称地布置线圈以产生使得电弧偏转的磁场来实现改进，尤其能更好地设定焊接点。

除了上述栓柱焊接方法，在一般的焊接方法中也出现类似的问题，因为电弧始终趋于沿工件的接地连接的方向定向或被大质量偏转。通过对称地布置工件的多个接地连接，虽然可以防止该问题，但是在焊接炬相对于工件运动时再次出现电弧位置的偏差并由此使得焊丝和工件可能不规则熔化。

例如DE 20 2013 011 903 U1描述了一种具有熔化的焊丝的电弧焊接系统，其中借助磁场使得熔融的液滴从焊丝端部分离或移动并且必要时使得电弧向前或向后运动，以便延长焊接熔池(Schweiβpfütze)。

发明内容

本发明的目的是提供上述的用于将栓柱焊接至工件的栓柱焊接方法和上述的栓柱焊接装置，通过该栓柱焊接方法和该栓柱焊接装置使得电弧在栓柱的端面和位于其下方的工件之间尽可能均匀地分布，由此能均匀地熔化栓柱和工件并且因此得到最佳的焊接连接。不需要对栓柱有特殊要求。该栓柱焊接方法和该栓柱焊接装置应可以尽可能简单且成本有利地实现。应避免或至少减小现有技术的缺点。

本发明的目的在方法方面通过以下方式实现，通过用于产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流与焊接电流同步地且反向地控制，在焊接电流最小或低时始终向用于产生磁场以使电弧偏转的线圈施加电流，并且在焊接电流最大或较高时，断开偏转线圈或将通过线圈的电流降低到最小值。已经发现，在以低的功率或较低的电流运行电弧时，可通过横向磁场更容易地影响电弧，而借助较高的能量或有时较高的焊接电流不能轻易地影响电弧。因此，通过根据本发明的同步且反向地控制线圈电流可在低的工艺耗用的同时实现电弧的最佳位置。因此通过均匀的材料熔化得到较高品质的焊接连接。与现有技术相比，无需如下的特殊设计的栓柱，即从该栓柱点燃至工件的电弧。所需要的仅是在工件上的接地连接，不必特别考虑该接地连接的位置。

优选地，焊接电流以在10Hz和1000Hz之间、尤其在50Hz和150Hz之间的脉冲频率进行脉冲。这种值在根据现有技术的焊接方法中是常见的。

根据本发明的另一特征，焊接电流在上限阈值和下限阈值之间变化或焊接功率在上限值和下限值之间变化。焊接电流的上限阈值匹配相应的情况和相应的焊接任务，从而能够实现尽可能快速的熔化。焊接电流的下限阈值优选选择为，可在焊接工艺期间保持电弧。由此焊接电流被调节到恒定水平，指定焊接功率的相应的上限阈值和下限阈值。然后基于调节的焊接功率设定焊接电流。

焊接电流的占空比或占空度在10％和90％之间、尤其为50％。一方面根据将尽可能高的能量引入到电弧中的观点、另一方面根据在具有较小的焊接电流的阶段中更容易影响电弧的位置的事实来选择占空比。50％的占空比在此是最佳的折中，但是变化的占空比对于特殊的应用可为是有利的。

有利地，对于恒定的焊接功率，将焊接电流优选调节到2kW和10kW之间。因为在电弧中以及在待熔化部件中的热引入在很大程度上取决于电弧的功率，这种调节到恒定功率是有利的。因此，通过改变焊接电流补偿电弧电压中的变化，从而得到恒定的焊接效率。

与焊接电流相比，通过线圈的电流可有时间偏移地施加。线圈电流相对于焊接电流的这种小程度的，例如百分之几的周期持续时间，允许更好地影响电弧。在线圈电流相对于焊接电流为负相移时，可更早地实现最大线圈电流。

其他的优点可通过以下方式实现，即，可在焊接电流开始之后以预设时间段和/或在焊接电流结束之前以预设的时间段断开通过线圈的电流。通过在焊接过程开始之后和焊接过程结束之前设置这样的时间段，可实现横向磁场对电弧的改进影响。通过在焊接过程开始之后加入一时间段改进了电弧的稳定性并且固定了电弧的位置。如果在焊接过程结束之前断开横向磁场，能实现更好且更稳定地结束焊接过程。

通过用于产生磁场使电弧偏转的线圈的电流以DC偏移加以脉冲。如果在高的焊接电流的阶段中没有完全断开通过用于产生磁场使电弧偏转的线圈的电流，而是以小的偏移运行时，可实现线圈的一定的基本磁化。

通过线圈的电流的上升速度例如可通过施加到线圈上的电压的幅度以及线圈的电感改变。通过较低的上升速度实现以较高脉冲频率对焊接电流进行脉冲。

在焊接过程开始之前加入优选在1ms和100ms之间的预电流阶段，可通过预热改进该过程。由此使得电弧稳定并且在脉冲时没有立即中断电弧。

由通过线圈的电流的时间进程(Verlauf)可确定焊接电流的最大脉冲频率。例如可通过由第一电流脉冲之后或若干电流脉冲之后的线圈电流的进程导出时间常量，反向计算出焊接电流的最大可能的脉冲频率并且将焊接过程限定在确定的最大脉冲频率。

根据本发明的目的也通过上述栓柱焊接装置实现，其中设有用于相对于脉冲焊接电流同步地且反相地控制通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流的控制装置，使得在焊接电流最小或低时始终为线圈施加电流，并且在焊接电流最大或较高时，断开线圈或将通过线圈的电流降低到最小值。该栓柱焊接装置能特别简单且成本有利地实施，因为仅必须使用于产生线圈电流的装置与焊接电源同步，这可通过在普通的焊接装置中已包括的控制装置或微控制器简单实现。对于通过栓柱焊接装置可实现的其他优点参考上面对栓柱焊接方法的描述。

焊接电源有利地针对恒定的焊接功率、优选在2kW和10kW之间的焊接功率调节焊接电流。通过保持焊接功率以及引入电弧中的能量保持，实现了对栓柱和工件的均匀熔化以及焊接接头的恒定质量。

在特别优选的栓柱焊接装置中，设有用于容纳待与工件连接的栓柱的栓柱保持器和用于克服弹簧的力将栓柱从工件上抬起的提升装置。如上所述，所述栓柱焊接装置可以通过影响电弧的位置实现栓柱或吊环栓柱的面对工件的一侧的均匀熔化。

控制装置可用于由通过线圈的电流的时间进程确定焊接电流的最大脉冲频率。如上所述，借助分析通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流的曲线形状或借助确定时间常数或提升速率能反向计算出最大的脉冲频率。

附图说明

根据附图详细描述本发明。其中示出：

图1示出了用于将栓柱焊接至工件的栓柱焊接装置的框图，该栓柱焊接装置具有产生磁场以使电弧偏转的线圈；

图2示出了依据第一实施例的脉冲焊接电流和通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的根据本发明控制的电流的时间进程；

图3示出了具有功率控制的依据另一实施例的焊接电流、焊接电压、脉冲焊接功率和通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流的时间进程；

图4示出了具有线圈电流的时间延迟的依据另一实施例的焊接电流、焊接电压、焊接功率和通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流的时间进程；

图5示出了具有三种不同的上升速度的通过产生磁场以使电弧偏转的线圈电流的时间进程的三种变型；以及

图6示出了通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流的时间进程以说明焊接电流的最大脉冲频率的确定。

具体实施方式

图1示出了具有产生磁场以使电弧LB偏转的线圈3的用于将栓柱6焊接至工件2的栓柱焊接装置1的框图。栓柱焊接装置1包括用于容纳栓柱6的栓柱保持器8，该栓柱保持器与相应的提升装置9连接。提升装置9可由提升磁体形成，提升磁体克服弹簧10的力将栓柱保持器8与栓柱6一起从工件2抬起。替代弹簧10，提升装置9也可由双提升磁体形成，双提升磁体将栓柱9从工件2上抬起并且将其压靠到工件2上(未示出)。将焊接电流I_s从焊接电源5施加到栓柱6，由此在栓柱6的面对工件2的面7和工件2之间点燃电弧LB。在焊接过程期间电弧LB的位置非常不确定地变化，由此发生栓柱6和工件2的面7不同地熔化并且在栓柱6压靠到工件2上之后焊接接头的质量变化。为了影响电弧LB的位置在焊接点周围布置线圈3以产生磁场，磁场横向于电弧LB定向并且使其局部偏转。在线圈电流I_A不受控的控制下不能有针对性地影响电弧LB的位置。而在本发明中通过控制装置4(线圈电源)为线圈3施加电流I_A，该电流与焊接电流I_s同步地并且相反地(gegengleich)被控制。由此更强烈地影响电弧LB的位置并且更均匀地熔化栓柱6的面7和工件2。

焊接装置1的特征在于相对简单和成本有利地实施。在任何情况下可设置储气器11，储气器为焊接部位供给相应的保护气体G。焊接电流I_s和通过线圈3的电流I_A一般也是焊接参数，根据本发明对这些焊接参数进行设定、控制、调节等。当然，如果其他的焊接参数、例如焊接功率P_s和/或时间参数改变时也可以执行本发明。

图2示出了依据第一实施例的脉冲焊接电流I_s和通过产生磁场以使电弧LB偏转的线圈3根据本发明控制的电流I_A的时间进程。焊接电流I_s在焊接电流的上限阈值I_s，o和焊接电流的下限阈值I_s，u之间变换。在示出的实施例中，在周期时间T_P中的时间t_on期间保持焊接电流的上限阈值I_s，o并且在周期时间T_P中的剩余时间期间保持焊接电流的下限阈值I_s，u。在示出的示例中，接通时间t_on为周期时间T_P的一半，同理占空比或占空度为50％。在该实施例中调节恒定的焊接电流I_s，使得根据跨电弧LB的焊接电压U_s建立定焊接功率P_s。

根据本发明通过线圈3的电流I_A与脉冲焊接电流I_s同步地且相反地控制。在焊接电流的上限阈值I_s，o的时间t_on期间，线圈电流I_A为零或最小，而在焊接电流I_s处于下限阈值I_s，u上时，线圈电流I_A是最大的。由此实现对电弧LB的位置的最佳影响。

通过使得线圈电流I_A相对于焊接电流I_s以时间偏移Δt微小地相移，可提前达到线圈电流I_A的最大值。

图3示出了具有功率调节的依据另一实施例的焊接电流I_s、焊接电压U_s、脉冲焊接功率P_s和通过产生磁场以使电弧LB偏转的线圈3的电流的时间进程。在该实施例中，存在对恒定的焊接功率P_s的调节，其中根据焊接电压U_s相应地改变焊接电流I_s。在电弧或焊接电压U_s减小时，提高焊接电流I_s，而在焊接电压U_s增大时，降低焊接电流I_s，从而得到恒定的平均焊接功率P_s。相应地与焊接电流I_s相反地且同步地控制通过线圈3的电流I_A。替代断开线圈3、等同于线圈电流I_A＝0(参见图2)，也可在线圈3上施加一定的直流分量或DC(直流)偏移I_A，DC。在焊接过程开始之前，可以插入持续时间为t_v的预电流阶段。

图4示出了依据另一实施例的焊接电流I_s、焊接电压U_s、脉冲焊接功率P_s和通过产生磁场以使电弧LB偏转的线圈3的电流I_A的时间进程。在此没有如图3中那样的持续时间为t_v的预电流阶段，从而立即开始焊接过程以及根据本发明的同步相反的电流I_A控制。但是如所示的，通过产生磁场以使电弧LB偏转的线圈3的电流I_A的控制可借助时间延迟开始并且提前预定时间周期结束。可在焊接过程开始之后以预设的时间段t_a延迟地接通线圈电流I_A并且在结束焊接过程之前以预设的时间段t_e断开线圈电流。在时间段t_a和t_e期间，通过线圈3的电流I_A可对应于一定的直流分量或直流偏移I_A，DC，其例如可为最大电流I_A的10％-20％。在时间段t_a和t_e期间，通过线圈3的电流I_A也可为零。不管电流I_A的值如何，通过在焊接过程开始之后加入时间段t_a实现了电弧LB的更好的稳定性。即延迟地开始电弧LB的偏转。通过在结束焊接过程之前加入预设的时间段t_e可实现焊接过程的更稳定的结束，其中提前结束电弧LB的偏转。

从图3和图4中可见，对本发明不重要的是，是否调节恒定的焊接电流I_s还是恒定的焊接功率P_s，因为焊接电流I_s的相关脉冲也同样存在于焊接功率P_s中。重要的是，通过线圈3的电流I_A的脉冲不仅与焊接电流I_s的脉冲而且与焊接功率P_s的脉冲同步地相反。

图5示出了具有三种不同的上升速度t_r的通过产生磁场以使电弧偏转的线圈3的电流I_A的时间进程的三种变型。在图5的最上部的时间图中，电流I_A以非常缓慢的上升速度升高，得到线圈电流的近似三角形的走向。通过施加较高的电压或改变线圈3的电感，可根据第二时间图实现更高的上升速度。在最后的时间进程中以特别低的上升速度实现了线圈电流I_A的近似矩形的走向。

图6示出了通过产生磁场以使电弧偏转的线圈的电流的时间进程以说明焊接电流的最大脉冲频率的确定。通过确定时间常数或电流I_A的上升速度可反向计算出可最大实现的脉冲频率f_P。根据电流I_A的幅度得出不同的最大周期时间T_P或不同的最大脉冲频率f_P＝1/T_P。在较低幅度I_A1的示例中得到较短的周期时间T_P1或较高的最大脉冲频率f_P1＝1/T_P1。在通过线圈3的较高幅度的电流I_A2的情况下得到较高的周期时间T_P2，这相当于较低的最大脉冲频率f_P。在具有较高幅度的电流I_A2的第三示例中不是在达到最大电流I_A2之后又立即断开电流I_A，而是保持最大值I_A2一定时间。由此得到周期时间T_P3或脉冲频率f_P3＝1/T_P3。

Claims (15)

1.用于将栓柱(6)焊接至工件(2)的栓柱焊接方法，其中，借助脉冲焊接电流(I_S)在所述栓柱(6)的面对所述工件(2)的面(7)和所述工件(2)之间产生电弧(LB)，并且借助由电流(I_A)流过的线圈(3)产生的磁场使所述电弧(LB)偏转，其特征在于，通过用于产生磁场以使所述电弧(LB)偏转的所述线圈(3)的电流(I_A)与焊接电流(I_S)同步地且相反地通过以下方式被控制，即，在所述焊接电流(I_S)最小时始终为所述线圈(3)施加电流(I_A)，并且在所述焊接电流(I_S)最大时，断开所述线圈(3)断开或将通过所述线圈(3)的电流(I_A)降低到最小值。

2.根据权利要求1所述的栓柱焊接方法，其特征在于，以10Hz和1000Hz之间、尤其50Hz和150Hz之间的脉冲频率(f_p)对所述焊接电流(I_S)进行脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的栓柱焊接方法，其特征在于，所述焊接电流(I_S)在上限阈值(I_s，o)和下限阈值(I_s，u)之间变化或焊接功率(P_s)在上限值(P_s，o)和下限值(P_s，u)之间变化。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，所述焊接电流(I_s)的占空比在10％和90％之间、尤其为50％。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，针对恒定的焊接功率(P_s)，优选在2kW和10kW之间的焊接功率，调节所述焊接电流(I_s)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，通过所述线圈(3)的电流(I_A)相对于所述焊接电流(I_S)以时间偏移(Δt)施加。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，在所述焊接电流(I_s)开始之后预设时间段(t_a)和/或在所述焊接电流(I_s)结束之前预设时间段(t_e)断开通过所述线圈(3)的电流(I_A)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，通过所述线圈(3)的电流(I_A)以DC偏移(I_A，DC)进行脉冲。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，通过所述线圈(3)的电流(I_A)的上升速度(t_r)改变。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，在所述焊接方法开始之前加入优选在1ms和100ms之间的预电流阶段(t_v)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的栓柱焊接方法，其特征在于，由通过所述线圈(3)的电流(I_A)的时间进程确定所述焊接电流(I_s)的最大脉冲频率(f_P，max)。

12.用于将栓柱(6)焊接至工件(2)的栓柱焊接装置(1)，所述栓柱焊接装置具有用于提供脉冲焊接电流(I_s)以在所述栓柱(6)的面对所述工件(2)的面(7)和所述工件(2)之间产生电弧(LB)的焊接电源(5)和用于产生磁场以使所述电弧(LB)偏转的线圈(3)，其特征在于，设有用于相对于所述脉冲焊接电流(I_s)同步地且相反地控制通过所述线圈(3)的电流(I_A)的控制装置(4)，使得在所述焊接电流(I_s)最小时能始终为所述线圈(3)施加电流(I_A)，并且在所述焊接电流(I_s)最大时，断开所述线圈(3)或将通过所述线圈(3)的电流(I_A)降低到最小值。

13.根据权利要求12所述的栓柱焊接装置(1)，其特征在于，所述焊接电源(5)设计成针对恒定的焊接功率(P_s)、优选在2kW和10kW之间的焊接功率调节所述焊接电流(I_s)。

14.根据权利要求12或13所述的栓柱焊接装置(1)，其特征在于，设有用于容纳待与所述工件(2)连接的栓柱(6)的栓柱保持器(8)和用于克服弹簧(10)的力将所述栓柱(6)从所述工件(2)上抬起的提升装置(9)。

15.根据权利要求14所述的栓柱焊接装置(1)，其特征在于，所述控制装置(4)设计成由通过所述线圈(3)的电流(I_A)的时间进程确定所述焊接电流(I_s)的最大脉冲频率(f_P，max)。

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