CN115515743A - 用于在机器人支持焊接方法期间确定接触管磨损的方法 - Google Patents

用于在机器人支持焊接方法期间确定接触管磨损的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种在使用具有自耗焊丝(6)的焊炬(4)对工件(W)进行机器人辅助焊接方法期间确定接触管(5)的磨损的方法，其中测量焊接电流(I)并且通过测量的焊接电流(I)确定接触管(5)的磨损。为了改善接触管(5)磨损的检测，测量的焊接电流(I)表示为测量的焊接电压(U)的比率，并且焊接电流(I)与焊接电压(U)的比率用于评价接触管(5)的磨损并与至少一个限定的阈值(Ssi)进行比较，并且在达到至少一个限定的阈值(Ssi)时发出警告。

Description

用于在机器人支持焊接方法期间确定接触管磨损的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用具有自耗焊丝的焊炬对工件进行的机器人支持焊接方法期间确定接触管磨损的方法，其中测量焊接电流并通过测量的焊接电流确定接触管磨损。
背景技术
在使用自耗焊丝的焊接方法，特别是MIG(金属惰性气体)和MAG(金属活性气体)焊接中，随着时间会在接触管上发生磨损，所述接触管用于将焊丝朝向焊缝移动并且在所述接触管中传输形成电弧的焊接电流。由于焊丝和接触管之间的摩擦，电流传输到焊丝的接触点从接触管的端部(焊丝离开接触管的位置)在接触管附接到焊炬的方向上逐渐迁移。如果不减小焊接电流或增加送丝速度，这会导致在焊丝离开的接触管的端部和工件表面之间的恒定距离处的电弧的延长。焊丝的电流通过部分的所得长度，即从电流进入焊丝的接触管中的接触点到焊丝熔化的电弧起点，取决于焊丝的材料、直径和给送速度以及焊接电流的幅值。这会改变电弧长度，即从焊丝的端部到工件的距离，以使恒定电流流过焊丝。为了保持该距离恒定，可以改变焊接电流和/或送丝和/或到接触管的端部的距离。这可以在一定程度上补偿接触管磨损，即接触管中接触点的位移。然后必须更换磨损的接触管以继续焊接过程。
在一些焊接方法，例如沉积焊接(熔覆)中，恒定的焊接参数对于确保待施加的层的恒定厚度和基材的恒定熔化以及因此恒定的焊接质量尤为重要。
专利EP 1 283 088 A1描述了一种用于在焊接方法中确定接触管磨损的方法，其中测量焊接电压和焊接电流并且从测量的平均值计算更换指数。如果该更换指数达到某个参考值，则表明应更换接触管。
文献EP 2 686 129 B1描述了一种用于实时监测接触管磨损的方法，其中监测和显示与焊接接头的数量相关的焊接电流的平均值。随着焊接过程的持续时间增加，由于接触管和焊丝之间的接触点向后朝向焊炬迁移，平均焊接电流值减小。如果平均焊接电流值低于预定限值，则会发出相应的警告。在焊接电流被调节为恒定值的焊接方法中，不能用焊接电流来指示接触管磨损。
发明内容
本发明的目的在于创造一种用于确定接触管磨损的上述方法，其提供关于接触管的实际磨损的更可靠信息，而与用于保持电弧长度恒定的调节变量无关，并且尽可能准确地指示何时应更换接触管。该方法设计成尽可能简单且成本有效地实施。要减少或防止现有技术的缺点。
通过将测量的焊接电流表示为测量的焊接电压的比率，并使用焊接电流与焊接电压的比率通过与至少一个限定阈值比较来评估接触管磨损，并且通过在达到至少一个限定阈值时发出警告来实现该目的。将焊接电流表示为焊接电压的比率是指使用电弧的电导或电阻来评估接触管磨损。这允许找到用于评估接触管磨损的更可靠的参数，所述参数独立于用于调节电弧长度的上述控制变量。由于焊接过程中的焊接电流和焊接电压无论如何都被记录，因此实施该方法所需的工作量非常小，并且只需要焊接装置的控制装置的相关编程。由于无法在焊丝的端部处进行测量，因此无法直接在电弧上测量电压，因此测量的电压包括通过电流的焊丝端部中的电压降。焊接电路中各处(焊丝、电弧等)的焊接电流都是相同的。因此，焊接电流与焊接电压的比率并不直接等于电弧的电阻或电导。然而，为了确定接触管的磨损程度，测量焊接电压的位置无关紧要，原因是在焊接期间评价的不是电阻或电导的绝对值，而是它们值的变化。因此，可以在电流源的输出终端或直接在接触管和工件上的接地连接之间，或在沿着焊接导体的任何其他点测量焊接电压。无论所使用的电弧控制方法(焊接电流、送丝速度和/或距离)如何，该新颖方法都可以及时和可靠地向用户指示接触管磨损，并且适时地更换接触管，从而可以以高质量继续焊接过程。
焊接电流和焊接电压的测量优选在焊接电流具有最大值时进行，以便能够尽可能准确地确定比率，即电阻或电导。在脉冲过程中，最高电流值通常出现在脉冲阶段结束时的上升电流斜坡之后。此时，焊接电路电感上的电压降趋于零，原因是电流变化率di/dt＝0。因此，理想的测量时间是最大电流电平到来的点。从这时开始，可以对预先在一段时间内记录的多个测量值进行平均(见下文)。对于其他焊接过程，例如基于短路的电弧焊接过程，最大焊接电流出现的时间也是最佳的。电弧阶段期间的最大焊接电流通常出现在短路阶段结束之后。测量可以在理想时间由短路触发，即在触发短路之后以指定时间间隔，或者如果在指定时间窗口内未检测到短路，则以循环重复的方式以预定时间间隔。
根据本发明的另一个特征，测量的焊接电流与测量的焊接电压的比率随时间平均。这允许相应地平滑信号并防止由于个别异常值而对接触管磨损进行错误评价。
优选地，将测量的焊接电流除以测量的焊接电压并形成电导，并且将电导与至少一个限定电导阈值进行比较，并在达到至少一个限定电导阈值时发出警告。计算的电弧电导随着接触管的逐渐磨损而减小，这意味着接触管磨损可以通过电导下降到预定阈值以下来可靠地指示。当然，通过为电导提供或限定多个阈值，也可以以分级方式指示磨损的变化。例如，通过限定电导的第一上限阈值，可以指示和传达接触管的第一初始磨损水平，电导的第二中等阈值可以指示和传达接触管的逐渐磨损水平，并且第三下限电导阈值可以指示和传达接触管的不允许磨损水平和接触管的强制更换。因此各个限定阈值用于在达到接触管的预定磨损水平时生成消息。
类似地，测量的焊接电压也可以除以测量的焊接电流以获得电阻，并且可以将电阻与至少一个限定的电阻阈值进行比较，并且可以在达到至少一个限定的电阻阈值时发出警告。与电导的情况一样，如果超过至少一个限定的电阻阈值，则表明接触管上存在磨损。
有利地，可以设定或输入至少一个限定的电导或电阻阈值。这允许根据经验或根据相应的焊接方法对接触管磨损极限的规格进行最佳调节。例如，与制造质量要求较低的工件时相比，制造质量要求特别高的工件时可以将磨损极限设定或输入为更小或更低的值。
可以听觉地、视觉地和/或以触觉形式发出警告。这意味着在焊接过程期间可以将接触管的磨损适当地传达给焊工或更高级别控制中心。当限定多个阈值时，可以改变相应的警告信号以分级方式指示接触管的磨损。例如，声音警告信号的音量或频率、光学警告信号的颜色或触觉警告信号的强度都可以表明接触管的磨损程度。
有利地，在发出警告的情况下，从焊炬或接触管的端部到工件的距离减小，由此补偿接触管的磨损。以该方式，焊接过程可以在焊接质量基本恒定的情况下持续一定时间，并且可以增加接触管的焊接时间和使用寿命。因此，电导或电阻可以通过使用限定的磨损极限阈值来调节焊炬或接触管到工件的距离的实际值而用于机器人控制器中的距离调节。作为最后磨损极限的最后阈值限定用于距离调节的最小距离，其同时指示接触管的必要更换。
如果在焊接过程期间也确定了焊炬或接触管端部到工件的距离，则可以指示焊炬是否定位得太靠近工件。可以使用多种方法确定距离，例如光学方法。
如果根据本发明的另一个特征，在发出警告的情况下在参考金属板上进行焊接，则接触管磨损的评估可以进一步改善并且使用焊接电流和焊接电压之间的比率非常准确地检查。参考焊接可用于验证实际自由焊丝长度是否因接触管磨损而发生变化。这是有利的，因为参考焊接不受接触管距离公差的影响，工件上的焊缝可能是这种情况。
有利地，以10kHz至100kHz的采样频率测量焊接电流和焊接电压。这样的值已被证明适合提供足够高的测量精度和有限的处理工作量。
优选地，焊接电流和焊接电压在1ms至300ms的时间段内被平均。这样的平均间隔可以防止或减少由于异常值导致的错误测量结果。
如果根据焊接过程期间的焊接路径的位置和/或根据焊接方法的焊接时段来记录或存储焊接电流与焊接电压的比率，则可以提供数据用于文档目的。
附图说明
将参照附图更详细地解释本发明。附图示出：
图1是用自耗焊丝执行焊接的焊接装置的框图；
图2A是通过新接触管的示意性横截面图；
图2B是通过磨损接触管的示意性横截面；
图3是焊接电流、焊接电压以及焊接电流与焊接电压的比率(即电导)的示意性时间波形的示例；
图4是焊接电流、焊接电压以及焊接电压与焊接电流的比率(即电阻)的示意性时间波形的示例；以及
图5是焊接电流与焊接电压的实际比率作为时间或焊接持续时间的函数的示例。
具体实施方式
图1示出了用自耗焊丝6执行焊接过程的焊接装置1的框图，其中焊接机器人2沿着预定焊接路径X在至少一个待加工的工件W上引导焊炬4。自耗焊丝6通过焊炬4中的接触管5传送到工件W。在接触管5中，由焊接电流源3提供的焊接电流I通入焊丝6，使得在焊接过程期间，到工件W的电弧L在从接触管5突出的焊丝的端部燃烧。
图2A示出了通过新接触管5的示意性横截面图。自耗焊丝6被传送通过接触管5中的相应孔7。在新接触管5的情况下，孔7基本上为圆柱形，使得与焊丝6的接触靠近接触管5的端部8发生，在所述端部处焊丝6离开接触管5。因此接触点K位于接触管5的开口或端部8处。焊丝6的电流通过部分的长度lid在此对应于自由丝长度lS，即从接触管5的端部8到焊丝6的端部的焊丝6的长度。焊丝6的电流通过部分(从接触点K到电弧开始处的焊丝6的端部)的所得长度lid取决于焊丝6的材料、直径、进给速度以及流过焊丝6的焊接电流I。焊丝6的进给速度和焊接电流I通常以这样的方式进行调节，使得获得电流通过焊丝6的期望长度lid。从焊炬4或接触管5的端部8到工件W的距离Δd以这样的方式被选择，使得从焊丝6的端部到工件W的距离lL适合于形成电弧L并且可以进行稳定的焊接过程。为了保持距离lL恒定，可以改变诸如焊丝6的进给速度和/或焊接电流I以及从焊炬4到工件W的距离Δd的参数。
图2B示出了通过磨损接触管5的示意性横截面。在磨损接触管5中，孔7被加宽，原因是从接触管5的接触点K传递到焊丝6中的永久电流不断从接触管5磨损材料。因此，与焊丝6的接触发生在更靠后的位置。因此这里的接触点K位于接触管5的端部8后面，距接触管5的端部8的距离为lK。在不改变焊丝6的进给速度和/或焊接电流I的情况下，电流通过焊丝6的长度lid保持与根据图2A的示例中的相同，因此与图2A相比，自由焊丝长度lS被缩短。因此，从焊丝6的熔化端到工件W的表面的距离lL与图2A相比增加从接触点K到接触管5的端部8的距离lK，并且在焊丝6的端部和工件W之间的燃烧的电弧L从接触管5的端部8延伸该距离lK。这降低了焊接特性，因此距离lL必须再次缩短到根据图2A的长度。
通常通过以下三种调节方法(A、B、C)来减小电弧L的长度或距离lL，可以单独或组合使用所述方法以补偿接触管5的磨损，其中在方法A中电流通过焊丝6的长度lid保持不变并且在方法B和C中增加：
A.)通过使用焊接机器人2进行焊炬4的相应移动来减小焊炬4或接触管5的端部8到工件W的距离Δd。在该情况下，电流通过焊丝6的长度lid和焊接电流I以及焊丝6的进给速度保持不变。这样做的优点是焊缝的横截面和消耗的基材量基本保持不变。
B.)通过增加焊丝6的进给速度。电流通过焊丝6的长度lid和自由丝长度lS增加从接触点K到接触管5的端部8的距离lK。从焊炬4到工件W的距离Δd保持不变。该方法会使焊缝的横截面略有增加。焊丝6的进给速度由电流源3控制或调节。该方法的优点是如果接触管5中的接触点K变化，焊接机器人2不需要执行任何移动，并且基材的消耗量基本保持不变，原因是焊接电流I保持不变。
C.)通过减小焊接电流I。与方法B.)一样，这导致电流通过焊丝6的长度lid和自由丝长度lS增加从接触点K到接触管5的端部8的距离lK。距离Δd保持不变。焊接电流I的减小导致基材消耗量的减少(较低的穿透深度)。优点在于，如果接触管5中的接触点K改变，焊接机器人2不必执行任何移动，并且焊缝的横截面保持基本相同，原因是焊丝6的进给速度保持不变。
如果接触管5的磨损进一步进行，则接触点K进一步向后移动。根据上述方法A.)、B.)和C.)的控制变量的限制，将需要更换接触管5。根据本发明，这可以通过指定从焊接电流I和焊接电压U的平均幅度导出的电阻R或电导G而实现，而与根据方法A.)、B.)或C.)的控制变量的组合无关。
图3示出了在自耗焊丝的焊接过程中的焊接电流I(t)、焊接电压U(t)以及焊接电流I(t)与焊接电压U(t)的比率(即电导G(t)或倒数电阻1/R(t))的示意性时间波形的示例。图示出了焊接电流I(t)和焊接电压U(t)的实际值以及由它们导出的电导值G(t)的幅度的变化，所述变化例如由于接触管5中的接触点K变化一定距离(例如6mm)而发生。为了简化，假设接触管5中的接触点K的磨损相关变化是线性的。在实践中，通常情况并非如此，而是实际上接触管5的接触点K在焊接过程期间通常先变化较快，后变化较慢，从而产生非线性关系。
在时间t＝0时，接触管5是新的，接触点K非常靠近接触管5的端部8(见图2A)，并且焊接过程以一定的焊接电压U和一定的焊接电流I进行。随着电弧燃烧持续时间的增加和因此接触管5的逐渐磨损，当使用具有下降特性的电压调节(即焊接电压U不是绝对恒定的，而是随着电阻R的增加而上升，这意味着焊接电流I不会像使用恒定电压调节的情况那样下降)时，接触点K发生位移并且焊接电压U增加，而焊接电流I减小。实际波形取决于许多条件和因素，例如特定的焊接过程、控制特性、焊接功率、焊丝材料、接触管质量等。根据本发明，测量的焊接电流I除以测量的焊接电压U并且获得电导G。该电导G随着接触管5的磨损增加而减小，而与电弧长度调节的形式(特性)(恒定电压、恒定电流、下降…)无关。
为了限定指示接触管5的磨损程度的阈值Ssi，使用具有不同距离Δd的参考焊缝对新接触管进行参考焊接。不同的距离Δd用于模拟接触管5的磨损程度并记录焊接电流I和焊接电压U的测量值或平均值及其比率。在具有不同距离Δd的每个参考焊接结束时，这些被限定为阈值Ssi。
在根据图3所示的示例中，限定两个电导阈值Gsi，当前确定的电导值G(t)与所述电导阈值进行比较。第一电导阈值GS1对应于接触管5的中等磨损程度，在该情况下仍可以继续焊接过程。这意味着当电导达到或低于第一电导阈值GS1时，在时间t1发出警告。第二电导阈值GS2对应于接触管5的严重磨损水平，在该情况下必须不再继续焊接过程。因此，当电导达到或低于第二电导阈值GS2时，在时间t2出现更紧急的警告或甚至焊接过程的停止。
图4示出了焊接电流I、焊接电压U以及焊接电压U与焊接电流I的比率(即电阻R)的示意性时间波形的示例。
在时间t＝0时，接触管5是新的，接触管5的接触点K非常靠近接触管5的端部8(见图2A)，并且焊接过程以一定的焊接电压U和一定的焊接电流I进行。随着电弧燃烧持续时间进行和因此接触管5磨损增加，如果使用具有下降特性的电压调节，接触点K发生位移，焊接电压U增加，并且焊接电流I减小。根据本发明，测量的焊接电压U除以测量的焊接电流I并且获到电阻R。该电阻R随着接触管5的磨损增加而增加，而与电弧长度调节的形式(特性)无关。
在根据图4所示的示例中，限定两个电阻阈值Rsi，当前确定的电阻R(t)与所述电阻阈值进行比较。第一电阻阈值RS1对应于接触管5的中等磨损程度，在该情况下仍可以继续焊接过程。这意味着当电阻达到或超过第一电阻阈值RS1时，在时间t1发出警告。第二电阻阈值RS2对应于接触管5的严重磨损水平，在该情况下焊接过程不能再继续。因此，当电阻达到或超过第二电阻阈值RS2时，在时间t2发出更紧急的警告，或甚至发生焊接过程的停止。
图5示出了焊接电流I与焊接电压U的比率(即电导G)作为时间t或焊接持续时间或焊接次数的函数的真实曲线的示例。与根据图3和4的简化图示相反，这里由于焊接电流I和焊接电压U的测量值波动而导致的计算信号波动清晰可见。例如，焊接电流I和焊接电压U在从10kHz至100kHz的采样频率fA下被测量。通过在例如1ms至300ms的某个时间段ΔtM上对测量值进行平均，可以实现曲线的平滑化。如上所述，焊接电流I和焊接电压U的测量优选地根据焊接过程在焊接电流I具有最大值Imax时进行。这允许尽可能准确地确定比率，即电阻R或电导G。
当电导在时间t1达到或低于电导G的第一阈值GS1时，发出声音、光学和/或触觉警告。当电导在时间t2达到或低于第二电导阈值GS2时，输出与低于第一电导阈值GS1时发出的警告不同的警告，或者甚至关闭焊接过程并更换接触管5。
本发明描述了一种用于确定焊接过程期间接触管磨损的可靠方法。

Claims (13)

1.一种在使用具有自耗焊丝(6)的焊炬(4)对工件(W)进行机器人辅助焊接方法期间确定接触管(5)的磨损的方法，其中测量焊接电流(I)并且通过测量的焊接电流(I)确定所述接触管(5)的磨损，其特征在于，测量的焊接电流(I)表示为测量的焊接电压(U)的比率，并且焊接电流(I)与焊接电压(U)的比率用于评价所述接触管(5)的磨损并与至少一个限定的阈值(Ssi)进行比较，并且在达到至少一个限定的阈值(Ssi)时发出警告。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接电流(I)具有最大值(Imax)时，特别是在脉冲过程的情况下在脉冲阶段结束时，或在基于短路的电弧焊接过程的情况下在电弧阶段期间的短路阶段结束之后，测量焊接电流(I)和焊接电压(U)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，随着时间(t)平均测量的焊接电流(I)与测量的焊接电压(U)的比率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将测量的焊接电流(I)除以测量的焊接电压(U)并形成电导(G)，并且将电导(G)与至少一个限定的电导阈值(Gi)进行比较并在达到至少一个限定的电导阈值(Gi)时发出警告。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将测量的焊接电压(U)除以测量的焊接电流(I)并形成电阻(R)，并且将电阻(R)与至少一个限定的电阻阈值(Ri)进行比较并在达到至少一个限定的电阻阈值(Ri)时发出警告。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，设定至少一个限定的阈值(Ssi)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，听觉地、光学地和/或以触觉形式发出警告。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在发出警告的情况下，从所述焊炬(4)或所述接触管(5)的端部到所述工件(W)的距离(Δd)减小，由此补偿所述接触管(5)的磨损。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，确定从所述焊炬(4)或所述接触管(5)的端部到所述工件(W)的距离(Δd)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，在发出警告的情况下，在参考金属板上进行焊接。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，在10kHz至100kHz的采样频率(fA)下测量焊接电流(I)和焊接电压(U)。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，在1ms至300ms的时间间隔(ΔtM)上平均焊接电流(I)和焊接电压(U)。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，焊接电流(I)与焊接电压(U)的比率被记录为焊接方法期间的焊接路径(X)的位置(xs)的函数和/或焊接方法的焊接时段(ts)的函数。
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