CN114786860A - 焊接装置和焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于将焊接栓柱焊接至基材的装置和方法。向焊接栓柱施加该焊接栓柱与该基材之间的焊接电流，由此使得该焊接栓柱和该基材的材料部分液化。然后将该焊接栓柱沉降到该焊接栓柱或该基材的正在凝固的材料中以便在该焊接栓柱与该基材之间产生结合。

Description

焊接装置和焊接方法
技术领域
本发明总体上涉及一种用于将栓柱紧固至基材的装置和方法、并且还涉及这样的栓柱。
背景技术
存在多种已知装置和方法，在不同的应用中，通过这些装置和方法将多种不同栓柱紧固至基材。例如，使得栓柱与基材接触并且向其施加电流。一旦电流在栓柱与基材之间流动，就将栓柱从基材提起以形成电弧。释放出的能量使得栓柱和基材的材料部分液化。然后将栓柱沉降到液化的材料中，而后此材料冷却并且变成固体。栓柱最终结合至基材。
为了提供使栓柱和基材的材料在足够短的时间内液化所必需的能量，存在已知装置，这些装置产生非常高强度的电流并且使用相应规制的电缆将该电流馈送至栓柱。为了避免液化的材料氧化，已知的是，用惰性气体包围栓柱与基材之间的接触面积。
例如在建筑或造船应用的情况下，使用了用于将物体拧紧到其上的多种不同尺寸的螺柱，以便将物体紧固至基材。紧固方法的一些参数(例如持续时间和电流的电功率)由使用者在装置上设定并且使得其与所使用的栓柱相适配。使用者最后借助于视觉检查来评估栓柱与基材之间的连接品质。因此，连接品质还取决于使用者的经验和能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种使得将栓柱紧固至基材更容易和/或有所改进的装置和/或方法。
该目的在一种用于将焊接栓柱焊接至基材的装置中实现，该装置包括：栓柱固持器；焊接电流接触元件，该焊接电流接触元件用于将焊接电流施加至该焊接栓柱以便使该焊接栓柱和/或该基材的材料部分液化；栓柱输送装置，该栓柱输送装置包括线圈；以及确定装置，该确定装置用于确定该焊接栓柱的移动(例如提升移动或沉降移动)的持续时间和/或速度、和/或该焊接栓柱的位置(特别是在提升移动和/或沉降移动之前、在这期间或之后)，该确定装置包括检测装置，该检测装置用于检测该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量。此外，该装置优选地包括栓柱提升装置，该栓柱提升装置用于将焊接栓柱从基材提升，同时维持在焊接栓柱与基材之间流动的焊接电流，特别优选地在焊接栓柱与基材之间形成电弧。栓柱固持器同样优选地包括焊接电流接触元件。
另一个有利的配置在于，该栓柱输送装置包括具有线圈的升降磁体，该升降磁体借助于由该线圈产生的磁场来驱动该焊接栓柱，以便执行背离该基材的提升移动和/或到该基材上的沉降移动。另一个有利的配置在于，该栓柱输送装置形成为栓柱提升装置和/或栓柱沉降装置。
另一个有利的配置在于，该栓柱输送装置包括具有线圈的升降磁体，该升降磁体借助于由该线圈产生的磁场来驱动该焊接栓柱，以便执行背离该基材的提升移动和/或到该基材上的沉降移动。另一个有利的配置在于，该栓柱输送装置形成为栓柱提升装置和/或栓柱沉降装置。
另一个有利的配置在于，该装置包括输出装置，该输出装置用于输出与所确定的变量有关的信息和/或从所确定的变量中推导出的信息。该输出装置优选地包括视觉显示器和/或无线传输装置。可以由输出装置输出的信息优选地包括与焊接操作的品质和/或用于改进焊接操作的措施有关的信息。
该目的还在一种用于将焊接栓柱焊接至基材的方法中实现，其中：提供焊接栓柱并且施加该焊接栓柱与该基材之间的焊接电流；使该焊接栓柱和/或该基材的材料部分液化并且允许其凝固；借助于包括线圈的栓柱输送装置将该焊接栓柱沉降到该焊接栓柱或该基材的液化的材料中，然后该液化的材料凝固；并且确定表征该焊接栓柱的由该栓柱输送装置产生的进入该焊接栓柱和/或该基材的该液化的材料中的沉降移动的一个或多个变量；检测该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量。焊接栓柱优选地从基材提起，同时维持在焊接栓柱与基材之间流动的焊接电流，特别优选地在焊接栓柱与基材之间形成电弧。该栓柱输送装置同样优选地包括升降磁体，该升降磁体包括线圈，借助于由该线圈产生的磁场来驱动该焊接栓柱，以便执行背离该基材的提升移动和/或朝向该基材的沉降移动。
该方法的一个有利的配置在于，将该检测装置检测到的变量与该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量的设定值进行比较。优选地从该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量以及该设定值中形成差。
该方法的另一个有利的配置在于，根据该检测装置检测到的电感或表示该电感的变量来控制该栓柱输送装置。
该方法的另一个有利的配置在于，根据该检测装置检测到的电感或表示该电感的变量来控制该栓柱输送装置。
另一个有利的配置在于，根据在之前的焊接操作期间检测到的参数来控制随后的焊接操作的一个或多个参数。
另一个有利的配置在于，输出与所确定的变量有关的信息和/或从所确定的变量中推导出的信息。此信息优选地是与焊接操作的品质有关和/或与改进焊接操作的措施有关的信息。
具体实施方式
以下将基于示例性实施例并参考附图更详细地解释本发明，在附图中：
图1示意性地示出了焊接装置，
图2示意性地示出了焊枪，以及
图3示出了焊接方法的流程图。
图1中，示意性地表示了用于将焊接栓柱20焊接至基材30的焊接装置10。焊接栓柱20的材料和基材30的材料是导电的、特别是金属的。焊接装置10包括：具有形成为按钮开关的触发开关41的焊枪40、焊接单元50、第一电缆61、带有连接端子63的第二电缆62、形成为例如电力电缆的供电电缆64、通信电线65、形成为气瓶的气体储器70、管状气体供应管线71、以及气体软管72。
第一电缆61用于通过焊接单元50向焊接栓柱20供应电流。第二电缆62用于当连接端子63被夹在基材30上时，将基材30电连接至焊接单元50。当焊接栓柱20与基材30相接触时，回路闭合，使得可以通过焊接单元50将例如直流或交流形式的焊接电流施加至焊接栓柱20。出于此目的，焊枪40包括焊接电流接触元件(图1中未示出)。焊接单元50包括用于将来自供电电缆64的电流转化为焊接电流的装置(未示出)，该装置包括例如电容器、晶闸管、带有隔离栅电极的双极型晶体管或属于功率电子器件的其他部件、以及还有带有微处理器的相关联的控制单元，以便以期望的电压和电流强度提供焊接电流。
气体供应管线71和气体软管72用于向焊接栓柱20与基材30之间的接触区域供应来自气体储器70的惰性气体，以便保护接触区域在焊接操作期间不会因为周围区域的氧气而氧化。为了控制到接触区域的气体流，气体储器70、气体供应管线71、焊接单元50、气体软管72或焊枪40包括阀(未示出)，特别是可控阀。
焊接单元50具有带有致动元件52的输入装置51、以及还有带有视觉显示元件54和无线传输单元的输出装置53。输入装置51用于由焊接装置10的使用者输入要使用焊接装置10进行的焊接方法的参数，例如焊接电流的电压、电流强度、功率和持续时间、栓柱的位置和速度等。输出装置53用于向使用者输出信息，例如关于焊接方法的参数的信息、关于焊接方法的检测到的排放或其他变量的信息、关于焊接操作的品质的信息、关于改进焊接操作的措施的信息、关于焊接栓柱的检测到的特征的信息或从上述变量中推导出的信息，和/或针对清洁和/或维护焊接装置10(特别是焊枪40)的建议或指导。
通信线65用于在焊枪40、特别是焊枪40的控制装置(图1未示出)与焊接单元50、特别是控制单元和/或输入装置51和/或输出装置53之间进行通信。例如借助于这种通信来完成关于焊接操作的参数的信息交换以便例如实现或易于使得焊接电流与焊接栓柱20的移动相同步。在未示出的示例性实施例中，焊枪与焊接单元之间的通信通过无线电或借助于承载焊接电流的第一电缆无线地进行。
图2中，更详细地示出了焊枪40，以及用于紧固至基材30的焊接栓柱20。焊枪40具有带有开口46的壳体42、带有从所述壳体42突出的触发开关41的手柄43。还示出了第一电缆61、带有夹紧至基材30的连接端子63的第二电缆62、通信电线65、以及气体软管72。焊枪40还具有栓柱固持器44，焊接栓柱20在焊接操作期间被固持在该栓柱固持器上。出于此目的，栓柱固持器包括例如两个、三个、四个或更多个弹性臂(未详细示出)，焊接栓柱20插入并且借助于夹紧配合固持在这些弹性臂之间。为了向焊接栓柱20施加焊接电流，焊枪40还具有例如以这些弹性臂中的一个或多个弹性臂的形式集成在栓柱固持器44中的焊接电流接触元件45。
焊枪40还具有用于控制焊枪的和焊接单元50的这些不同部件和装置的控制装置200。控制装置200旨在控制焊接操作的一个或多个参数。出于此目的，控制装置200包括多种不同电子部件，例如一个或多个微处理器、一个或多个临时或永久性数据存储器等。
焊枪40还包括栓柱输送装置100，该栓柱输送装置具有形成为第一升降磁体的栓柱提升装置80以及形成为第二升降磁体的栓柱沉降装置90。栓柱提升装置80具有第一线圈85，并且当通过第一线圈85被通电并且例如借助于磁场将磁阻力施加在栓柱固持器44的软磁性材料上而启用栓柱提升装置80时，该栓柱提升装置以背离开口46朝向后侧(在图2中向上)的力作用在栓柱固持器44上。出于此目的，栓柱固持器44在其外周上具有例如第一铁或钢环(未示出)。经由信号线(未示出)，控制装置200与栓柱提升装置80通信以便控制栓柱提升装置80，特别是使其启用和解除启用。
栓柱沉降装置90具有第二线圈95，并且当通过第二线圈95被通电并且例如借助于磁场将磁阻力施加在栓柱固持器44的软磁性材料上而启用栓柱沉降装置90时，该栓柱沉降装置以朝向开口46朝向前侧(在图2中向下)的力作用在栓柱固持器44上。出于此目的，栓柱固持器44在其外周上具有例如第二铁或钢环(未示出)。经由信号线(未示出)，控制装置200与栓柱沉降装置90通信以便控制栓柱沉降装置90，特别是使其启用和解除启用。在未示出的示例性实施例的情况下，栓柱沉降装置形成为弹簧元件，当栓柱固持器通过栓柱提升装置向后移动时，该弹簧元件张紧，并且一旦栓柱提升装置解除启用，该弹簧元件就使栓柱固持器向前移动。
焊枪40还具有用于检测焊接栓柱20的一个或多个栓柱特征的识别装置220。经由信号线(未示出)，控制装置200与识别装置通信以便接收表示检测到的栓柱特征的信号并且相应地对焊接操作进行控制。在未示出的示例性实施例的情况下，识别元素贴附至焊接栓柱的包装并且例如以QR码或RFID的方式特别是借助于手机或类似装置来读取。
焊枪40还包括用于检测在焊接操作期间施加到焊接栓柱20与基材30之间的电压的电压检测装置231、以及用于检测在焊接操作期间在焊接栓柱20与基材30之间流动的电流的强度的电流强度检测装置232。出于此目的，电压检测装置231优选地包括例如安装在开口46处的用于分接基材30的电势的测量接触件。经由信号线(未示出)，控制装置200与电压检测装置231和电流强度检测装置232通信以便接收表示电压或电流强度的信号，将这些信号存储在其数据存储器之一中并且根据检测装置231、232在之前的焊接操作期间检测到的参数来控制随后的焊接操作的一个或多个参数。
焊枪40、特别是控制装置200包括确定装置210，该确定装置用于确定焊接栓柱的移动(例如提升或沉降移动)的持续时间和/或速度、和/或焊接栓柱在提升和/或沉降移动之前、在这期间或之后的位置。确定装置210进而包括检测装置250，该检测装置用于检测第一线圈85和/或第二线圈95的电感或表示第一线圈85和/或第二线圈95的电感的变量。由于第一线圈85和第二线圈95的电感受到栓柱固持器44并且因此焊接栓柱20的位置的影响，因此可以从检测到的电感来得出关于焊接栓柱20的位置的结论。为了检测线圈85、95的电感，检测装置250向线圈85、95施加电流，该检测装置在预定时间段之后再次关闭，以便等待稳态，由此开始电流降低直至其落到参考值以下的续流阶段。续流阶段的持续时间与线圈85、95的电感成比例，并且因此表示代表电感的变量。为了确定焊接栓柱20的位置，确定装置210使用在焊接栓柱20的一个或多个校准位置处检测到的存储值。可能的校准位置包括例如焊接栓柱20在其放置在基材上之前、已放置在其上之后以及焊接操作之前、焊接操作之后等的位置。
控制装置200适用于推导出由确定装置210确定的焊接栓柱20在提升移动之前或沉降移动之后的两个位置之间的差，并且因此评估焊接栓柱20与基材30之间的焊接连接的品质。此外，控制装置200适用于根据由确定装置210确定的变量、以及因此根据检测装置250检测到的电感或表示该电感的变量来控制栓柱输送装置100和/或焊接操作的一个或多个参数，例如焊接电流的电压和/或电流强度、和/或焊接栓柱20的速度和/或位置和/或移动方向。控制装置200优选地适用于根据确定装置210确定的和/或检测装置250在之前的焊接操作期间检测到的变量来控制随后的焊接操作的一个或多个参数。这使得对焊接操作的已经确定的参数变化进行补偿，以及对焊接栓柱与基材之间的焊接连接的品质进行客观评估。线圈85、95的电感或表示线圈85、95的电感的变量的设定值被存储在控制装置200的数据存储器中。控制装置200适用于将检测装置250检测到的变量与设定值进行比较，并且形成检测装置250检测到的变量与设定值之间的差，并且在随后的焊接操作中对此进行补偿。
焊枪40还具有带有致动元件152的输入装置151、以及还有带有视觉显示元件和无线传输单元的输出装置153。控制装置200经由信号线(未示出)与输入装置151和输出装置153通信，以接收借助于输入装置151输入的信息或向输出装置153发送要输出的信息。
图3示意性地示出了用于将焊接栓柱焊接至基材、例如将焊接栓柱20焊接至基材30的方法500。在第一步骤501中，提供基材。在进一步步骤502中，提供带有控制装置的焊接装置。在进一步步骤503中，提供焊接栓柱。
在进一步步骤504中，使用者经由输入装置来输入例如与随后的焊接操作的期望参数有关的信息。在进一步步骤505中，借助于识别装置来检测焊接栓柱的一个或多个栓柱特征。在进一步步骤506中，经由输出装置输出与检测到的栓柱特征有关的信息和/或从检测到的栓柱特征中推导出的信息。
在进一步步骤507中，向焊接栓柱施加焊接栓柱与基材之间的焊接电流。在进一步步骤508中，借助于栓柱提升装置将焊接栓柱从基材提起，同时维持焊接电流在焊接栓柱与基材之间流动，在焊接栓柱与基材之间形成电弧。在进一步步骤509中，焊接栓柱和/或基材的材料特别地由于电弧产生的热量而部分液化。在进一步步骤510中，借助于栓柱沉降装置将焊接栓柱沉降到焊接栓柱或基材的液化的材料中。在进一步步骤中511中，控制焊接操作的一个或多个参数。在进一步步骤512中，借助于检测装置来检测在焊接操作期间产生的排放。在进一步步骤中513中，确定焊接操作的一个或多个参数。在进一步步骤514中，焊接栓柱和/或基材的液化的材料凝固，使得焊接栓柱结合至基材。在进一步步骤515中，借助于一个或多个检测装置来检测焊接操作的一个或多个参数和线圈的电感或表示该线圈的电感的变量并且进行存储。优选地借助于由线圈产生的磁场来驱动焊接栓柱，以便执行背离基材的提升移动和/或朝向基材的沉降移动。
在进一步步骤516中，将一个或多个检测装置在当前的焊接操作期间检测到的参数与存储在数据存储器中的参数或设定值进行比较，并且输出检测装置在当前的焊接操作期间检测到的参数与存储在数据存储器中的参数之间的差和/或从这样的差中推导出的信息。在进一步步骤516中，根据在之前的焊接操作期间检测到的参数来控制随后的焊接操作的一个或多个参数。在进一步步骤517中，经由输出装置来输出信息。在进一步步骤518中，在已经进行焊接操作之后，使用者输入对焊接操作的品质的评估。在进一步步骤519中，使用者的输入用于评估未来焊接操作的品质。
本发明已经基于将焊接栓柱焊接至基材的装置和方法的示例进行了描述。所描述的实施例的特征还可以如所期望地在单一焊接装置或单一焊接方法中彼此组合。应注意的是，根据本发明的装置和根据本发明的方法还适用于其他目的。

Claims (15)

1.一种用于将焊接栓柱焊接至基材的装置，该装置具有：栓柱固持器；焊接电流接触元件，该焊接电流接触元件用于将焊接电流施加至该焊接栓柱以便使该焊接栓柱和/或该基材的材料部分液化；栓柱输送装置，该栓柱输送装置包括线圈；以及确定装置，该确定装置用于确定该焊接栓柱的移动的持续时间和/或速度、和/或该焊接栓柱的位置，该确定装置包括检测装置，该检测装置用于检测该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量。
2.如权利要求1所述的装置，该栓柱输送装置包括具有线圈的升降磁体，该升降磁体借助于由该线圈产生的磁场来驱动该焊接栓柱，以便执行背离该基材的提升移动和/或到该基材上的沉降移动。
3.如前述权利要求之一所述的装置，该栓柱输送装置包括栓柱提升装置，该栓柱提升装置用于将该焊接栓柱从该基材提升。
4.如前述权利要求之一所述的装置，该栓柱输送装置包括栓柱沉降装置，该栓柱沉降装置用于当该焊接栓柱和/或该基材由于该焊接电流而部分液化时将该焊接栓柱沉降到该焊接栓柱和/或该基材的液化的材料中。
5.如前述权利要求之一所述的装置，进一步包括控制装置，该控制装置特别地包括确定装置。
6.如权利要求5所述的装置，进一步包括数据存储器，该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量的设定值被存储在该数据存储器中，该控制装置适用于将该检测装置检测到的变量与该设定值进行比较，并且特别地从其中形成差。
7.如权利要求5和6中任一项所述的装置，该控制装置旨在根据该检测装置检测到的电感或表示该电感的变量来控制该栓柱输送装置。
8.如权利要求5至7之一所述的装置，该控制装置旨在根据检测到的这些变量来控制焊接操作的一个或多个参数。
9.如权利要求8所述的装置，该控制装置旨在控制该焊接电流的电压和/或电流强度、和/或该焊接栓柱的速度和/或位置和/或移动方向。
10.一种用于将焊接栓柱焊接至基材的方法，包括以下步骤：
a)提供焊接栓柱，
b)向该焊接栓柱施加该焊接栓柱与该基材之间的焊接电流，
c)使该焊接栓柱和/或该基材的材料部分液化，
d)借助于包括线圈的栓柱输送装置将该焊接栓柱沉降到该焊接栓柱或该基材的液化的材料中，然后该液化的材料凝固，
e)确定表征该焊接栓柱的由该栓柱输送装置产生的进入该焊接栓柱和/或该基材的该液化的材料中的沉降移动的一个或多个变量，以及
f)检测该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量。
11.如权利要求10所述的方法，该栓柱输送装置包括包括线圈的升降磁体，并且借助于由该线圈产生的磁场来驱动该焊接栓柱，以便执行背离该基材的提升移动和/或朝向该基材的沉降移动。
12.如权利要求10和11中任一项所述的方法，将该检测装置检测到的变量与该线圈的电感或表示该线圈的电感的变量的设定值进行比较，并且特别是从其中形成差。
13.如权利要求10至12之一所述的方法，根据该检测装置检测到的电感或表示该电感的变量来控制该栓柱输送装置。
14.如权利要求10至13之一所述的方法，根据检测到的这些变量来控制焊接操作的一个或多个参数。
15.如权利要求14所述的方法，控制该焊接电流的电压和/或电流强度、和/或该焊接栓柱的速度和/或位置和/或移动方向。
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