DE112014003007T5

DE112014003007T5 - Verfahren zur Überwachung der thermischen Reaktion, Kraft und Spannung beim Widerstandsschweißen

Info

Publication number: DE112014003007T5
Application number: DE112014003007.4T
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2016-03-31
Also published as: US9266187B2; US20150001190A1; WO2014209839A3; WO2014209839A2

Abstract

Eine Methode zur Messung der thermischen Reaktion als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Widerstandsschweißnaht umfasst das Überwachen eines ersten Parameters, der auf eine Änderung der mechanischen Elektrodenbelastung auf zu vereinende Werkstücke bezüglich der mechanischen Belastung, die vor der Wärmeanwendung angelegt wird, reagiert, Überwachen eines zweiten Parameters, der auf eine Änderung in der Position der Kopplung reagiert, die die Elektrodenbelastung bezüglich der Position der Kopplung vor der Wärmeanwendung ausübt, und die Bearbeitung einer Verbundmessung des ersten Parameters und des zweiten Parameters, um einen abgeleiteten Messwert zu erzeugen, der repräsentativ für die thermische Reaktion der Schweißnaht ist. Elektrodenkraft und Elektrodenstrom werden auch über Sensoren und Messungen überwacht, die kalibriert sind, um genauere Informationen während des Schweißprozesses bereitzustellen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Widerstandsschweißprozesses während des Schweißvorgangs.
HINTERGRUND
Widerstandsschweißen ist ein Verfahren zum Verbinden von Metallen, wie Stahl, Aluminium, Titan, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe oder andere Bleche, bei dem zwei oder mehr Teile miteinander zwischen zwei Elektroden verbunden und eine Reihe von Hochstrompulse mit Niederspannung durch die Teile geleitet werden. Das Schweißen wird unter Verwendung einer Schweißmaschine durchgeführt, die typischerweise mit Kupfer- oder Kupferlegierung-Schweißelektroden (d. h. eine feste Elektrode und eine bewegliche Elektrode oder zwei bewegliche Elektroden) ausgestattet ist. Die Elektroden sind einander gegenüberliegend ausgerichtet. Sie werden um Blechlagen bei einer bestimmten Punktschweißstelle angeordnet und klemmen und drücken die Schichten zwischen den beiden Elektroden. Ein hoher elektrischer Strom wird vorübergehend zwischen den gegenüberliegenden Elektroden durch das zwischen ihnen gepresste elektrisch resistive Metall geleitet. Das Blech zwischen den Elektroden wirdwährend des Stromflußes kurz geschmolzen und erstarrt danach wieder, um eine integrale Schweißlinse mit einem geeigneten Durchmesser auf den Passflächen der Blechlagen zu bilden. In einem typischen Herstellungsbetrieb werden viele Schweißungen schnell gebildet. Das Ziel ist es, alle der Schweißnähte innerhalb eines akzeptablen Toleranzwerts zu bilden, um den Designanforderungen hinsichtlich Größe und Stärke gerecht zu werden, und mit minimaler innerer Porosität oder Diskontinuitäten.
Viele Widerstandsschweiß-Produktionsverfahren bestimmen die Schweißparameter durch Versuch und Irrtum. Solche Parameter umfassen typischerweise die angewandte Elektrodenbelastung, Wärme und Zeit. Bei der Herstellung werden gelegentlich Prüfstücke hergestellt, welche zerstörend geprüft werden, um Schweißlinsengröße und Penetration zu bestimmen. Dieses Herstellungsverfahren hat unterschiedliche Größen und Stärken der Fertigungsschweißungen erzeugt, da die Geometrie, Oberflächenbeschaffenheit etc. der Prüfstücke möglicherweise nicht repräsentativ für die Produktionsbedingungen sein könnte. Die tatsächlichen Produktionsteile werden oft zerstörend geprüft, um zu helfen, dieses Problem zu umgehen. Diese zerstörenden Prüfungen können Informationen über die statistische Konsistenz einer Gruppe von Schweißverbindungen bereitstellen, aber sie bieten keine Informationen über die Wiederholbarkeit einer bestimmten Schweißnaht, die nicht zerstört wird. Als Ergebnis produzieren Hersteller unter Verwendung dieses Verfahrens der Qualitätskontrolle routinemäßig schlechte Schweißnähte, die die Produktion unentdeckt durchlaufen. Somit besteht ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zur Messung der Reproduzierbarkeit der einzelnen Schweißnähte, um das Problem der schlechten Schweißungen, die unentdeckt die Produktion durchlaufen, zu beseitigen.
Schweißsteuerungen werden verwendet, um die von der beweglichen Elektrode auf die Metalloberfläche an der Schweißstelle aufgebrachte Kraft zu steuern. Die Steuerung ist außerdem programmiert, den Schweißstrom als Funktion der Zeit zu steuern. Die an der Schweißstelle durch die Elektrode ausgeübte Kraft und die durch den Schweißstrom erzeugte Widerstandswärme führt zu einer Vertiefung (durch die Verschiebung der Elektrode) in der erweichten geschweißten Oberfläche des Werkstücks an der Stelle der Schweißlinse. Bei der Einrichtung der Schweißmaschine, um eine Reihe von gleichförmigen Schweißungen zu erzeugen, werden die Ausgangswerte der geeigneten Elektrodenkraft, der Schweißstrom als Funktion der Zeit und die Dauer, die die Elektrodenkraft nach Beendigung des Schweißstroms (Haltezeit) beibehalten wird, für die Schweißmaschine oder die Pistole und die spezifischen Werkstücke bestimmt. Während die Schweißsteuerung in einem Versuch, diese Werte beizubehalten, so programmiert werden kann, dass die gleichen Schweißnähte bei längeren Herstellungsvorgängen hergestellt werden, kann die Wiederholbarkeit der Schweißnähte aufgrund von Elektrodenverschleiß, Werkstückspalt Schweißabstand, Bauteilausrichtung und anderen Geometrieänderungen variieren. Weiterhin kann die Wiederholbarkeit der Schweißnähte durch Variationen bei dem Betrieb der Schweißmaschine(n) und externe Störungen wie Stromschwankungen und Kühlwassertemperatur beeinflusst werden. Somit ist ein verbessertes Verfahren zum Messen der Wiederholbarkeit der Schweißnähte während der Schweißung erforderlich, die es einem Monitor für mehrere Variablen ermöglichen würde, Bedingungen zu erkennen, die das Ergebnis der Schweißnähte nachteilig beeinflussen würden, und, im Falle einer adaptiven Steuerung, diese Informationen verwenden würde, um intelligente Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, um die Produktion von schlechten Schweißnähten zu verhindern.
Betriebseinrichtungen zur Widerstandsschweißung führen typischerweise periodische zerstörende Prüfungen von tatsächlichen Produktionsteilen oder Testproben durch, die angeblich die tatsächlichen Schweißbedingungen repräsentieren. Diese Qualitätskontrollverfahren sind aufwendig und haben einen negativen Einfluss auf die Werksproduktivität und machen das Widerstandsschweißverfahren auch komplizierter und bieten keine absolute Zuverlässigkeit des Schweißprozesses, da sie keine Informationen über die Schweißnähte bieten, die nicht zerstört werden. Es sind daher verbesserte Methoden erforderlich, um Schweißbedingungen zu erfassen und ein zuverlässiges Maß für den Schweißprozess bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Messen der thermischen Antwort einer Schweißnaht als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Überwachen eines ersten Parameters, der auf eine Änderung der mechanischen Elektrodenbelastung bezüglich der mechanischen Elektrodenbelastung vor der Wärmeanwendung anspricht, Überwachen eines zweiten Parameters, der auf eine Änderung in der Position der Kopplung, die die Elektrodenbelastung ausübt, bezüglich der Position der Kopplung vor der Wärmeanwendung anspricht, Verarbeiten eines Verbundwertes des ersten Parameters und des zweiten Parameters, um einen abgeleiteten Messwert zu erzeugen, der repräsentativ für die thermische Antwort der Schweißnaht ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Überwachen eines Elektrodenstroms als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine bereitgestellt, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt wird, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht. Das Verfahren umfasst das Überwachen des Elektrodenstroms unter Verwendung von zwei Stromsensoren, wobei ein erster Stromsensor Strom während einer kurzen Zeitdauer zu Beginn des Schweißvorgangs misst, und der zweite Stromsensor den Strom für den Rest des Schweißvorgangs misst, wobei der erste Stromsensor einen kalibrierten genauen Stromwert bei Anschalten des Stromes für eine begrenzte Zeitdauer, nachdem ein erster Strom an die Elektroden angelegt worden ist, liefert, und der zweite Stromsensor ein Ausgangssignal liefert, das eine lineare Funktion des Elektrodenstroms über eine längere Zeitdauer ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Überwachen einer Elektrodenkraft als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine bereitgestellt, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht. Das Verfahren umfasst die Überwachung der Elektrodenkraft mittels einer Verbundmessung, die eine Funktion von Informationen von zwei Sensoren ist, wobei ein Sensor die Kraft überwacht, die auf die Kopplung, welche die Elektrodenbelastung ausübt, ausgeübt wird, und der andere Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißens überwacht, wobei das Verfahren eine automatische Kalibrierung der Sensoren, um die Messgenauigkeit der momentanen Elektrodenkraft als eine Funktion der Zeit zu erhöhen, beinhaltet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
1 ist eine schematische Darstellung einer Widerstandpunktschweißmaschine mit der zugehörigen Ausrüstung, die bei Punktschweißprozessen verwendet wird, die in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der hier beschriebenen Widerstandspunktschweißmaschinen eingesetzt werden können.
2 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht der beiden Blechteile, die mit einem Punktschweißpunkt befestigt sind.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Widerstandspunktschweißmaschine mit einem Sensorsystem, um Elektrodenkraft und Elektrodenverschiebung zu überwachen.
4 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Widerstandspunktschweißmaschine mit einem Sensorsystem, um Elektrodenkraft und Elektrodenverschiebung zu überwachen.
5 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Widerstandsschweißmaschine, wobei ein erster Stromsensor und ein zweiter Stromsensor verwendet werden, um den an die von den Elektroden der Widerstandsschweißmaschine gehaltenen Werkstücke angelegten Strom zu überwachen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hierin offenbart wird ein Verfahren zur Überwachung der thermischen Reaktion bei der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine, wobei das Verfahren das Ableiten einer Verbundmessung umfasst, die eine Funktion der von den beiden Sensoren bereitgestellten Informationen ist, wobei ein Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißens und der andere Sensor eine Änderung der Position der Kopplung der Schweißmaschine umfasst, welche die Elektrodenbelastung ausübt, überwacht.
Das Widerstandsschweißverfahren zum Verbinden von zwei Materialien aufgrund eines lokalisierten metallischen Schmelzens über ihre Schnittstelle hinaus ist ein kompliziertes elektrisches, thermisches, mechanisches und metallurgisches Phänomen. Die Elektroden mit einem niedrigen elektrischen Widerstand, die Hochstrom auf einen lokalisierten Bereich der Werkstücke übertragen, üben eine konzentrierte Kraft auf die Außenflächen der zu verbindenden Materialien aus. Diese Elektrodenkraft erzeugt eine lokale Verformung an der Schnittstelle der zu verbindenden Metalle und vertieft die Außenflächen durch die hochkonzentrierten Druckspannungen. Der Zweck der Elektrodenbelastung ist, einen guten elektrischen Kontakt zu erhalten und eine Kraftverteilung anzuwenden, die die Schweißlinse enthält, die durch die Wärmeerzeugung des angelegten Stroms gebildet wird. Der elektrische Gesamtwiderstand des Systems, typischerweise bestehend aus Kupferelektroden und den zu verbindenden Metallblechen, umfasst die Materialwiderstände des Kupfers und der Werkstücke sowie die Oberflächenkontaktwiderstände an jeder Materialschnittstelle. Der Oberflächenkontaktwiderstand ergibt sich aus den Oberflächenfilmen, Oxiden und Unebenheiten an den Schnittstellen. Eine hohe Elektrodenkraft, wodurch eine lokalisierte Druckspannung auf die Oberfläche entsteht, hilft dabei, die Unebenheiten der Oberflächen zu entfernen, wodurch ein guter Kontakt ermöglicht wird, was zu einem verminderten elektrischen Oberflächenwiderstand führt. Da die elektrischen Widerstände der Kupferelektroden und der zu verbindenden Metalle gering sind, ist eine große Stromentladung erforderlich, um den Jouleschen Erwärmungseffekt zu erzeugen. Der Spannungsabfall und der Joulesche Erwärmungseffekt sind am größten in den Werkstücken, da der Widerstand der Kupferelektroden typischerweise eine Größenordnung ist, die kleiner als die meisten zu verbindenden Metalle ist.
Die transiente Erwärmung der Werkstücke erzeugt thermische Ausdehnung und Spannungen. Wenn ausreichend Strom für eine ausreichende Zeitdauer aufrechterhalten wird, wird das Schmelzen bei der gemeinsamen Schnittstelle der Werkstücke eingeleitet und verbreitet, um die Schweißlinse zu erzeugen. Dieser Phasenwechsel von fest nach flüssig erzeugt eine Änderung der Materialeigenschaften. Während des Schweißzyklus muss eine ausreichende Elektrodenbelastung beibehalten werden, um die hohen Gegenkräfte aus der internen thermischen Ausdehnung auszugleichen und dadurch das geschmolzene Metall im Werkstück zu erhalten. Dies verhindert den Austritt des flüssigen Metalls. Während des Schweißzyklus hilft die Elektrodenbelastung auch dabei, einen guten elektrischen und thermischen Kontakt aufrechtzuerhalten, bis die Bildung der Schweißlinse beendet ist. Der Schweißzyklus wird durch Ausschalten des Stromes beendet, während die Elektrodenbelastung aufrecht erhalten wird. Die letzte Phase des Verfahrens ist der Haltezyklus, der die Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt, so lange die angewendete Elektrodenkraft aufrecht erhalten wird. Dies kann die metallurgische Qualität der Schweißlinse beeinflussen. Während des Haltezyklus kühlt die Linse ab und zieht sich zusammen. Mechanische Belastung ist unerlässlich, um den erforderlichen Schmiededruck bereitzustellen, um eine gute metallurgische Struktur zu erhalten und die Bildung von Schrumpfungshohlräumen zu verhindern.
Eine schematische Darstellung einer Widerstandspunktschweißmaschine 10 (Schweißpistole) mit der zugeordneten Ausrüstung, die in Punktschweißprozessen verwendet wird und in Übereinstimmung mit bevorzugten Ausführungsformen der hier beschriebenen Widerstandspunktschweißpistolen verwendet werden kann, wird dargestellt in 1. Bei einem solchen Vorgang wird eine Anordnung von Werkstücken, wie beispielsweise zwei oder mehr zu verschweißende Blechschichten, an einem geeigneten Ort vorbereitet und mittels (nicht gezeigt) zur Schweißpistole 10 transportiert. In alternativen Ausführungsformen kann die Schweißpistole 10 am Ende eines Roboterarms angebracht werden, so dass die Schweißpistole 10 bewegt werden kann, um dem Zusammenbau der Blechschichten, die punktgeschweißt werden sollen, zu entsprechen.
In 1 werden die Werkstücke 12, 14 zwischen axial ausgerichteten und gegenüberliegenden Elektroden 16, 18 eines Schweißpistolenarms 20 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der Schweißpistolenarm 20 in der Konfiguration eines ”C” ist, so dass die gegenüberliegenden Elektroden 16, 18 eine mechanische Elektrodenbelastung oder -kraft auf die gegenüberliegenden Seiten der Werkstücke 12, 14 anwenden können.
In der gezeigten Anordnung ist die Elektrode 16 eine feste Elektrode, die auf einem Schaft 17 montiert ist, der in einer Halterung 22 an einem feststehenden Arm 24 der Schweißpistole 20 eingesetzt ist. Die andere Elektrode 18 ist in eine Richtung hin und weg von der Elektrode 16 beweglich. Elektrode 18 ist auf einem Schaft 19 befestigt und in ein bewegliches Element 26 in einem Stellglied 28 eingefügt. Das Stellglied 28 hat einen fixierten Bereich, der an der Schweißpistole 10 befestigt ist, und ein bewegliches Element 26, das zur Anwendung der Elektrodenkraft an den Werkstücken 12, 14 verantwortlich ist. Das Stellglied 28 ist dafür ausgerichtet, Elektrode 18 axial in einen Klemmeingriff mit der Außenfläche des Werkstücks 14 zu bewegen. Das Stellglied 28 kann einen Antriebszylinder und einen Servomotor umfassen, um die Elektrode 18 zu bewegen. Ein elektrischer Strom wird durch eine Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 befohlen und über die Übertragungsleitung 32 an das Stellglied 28 geliefert. In alternativen Ausführungsformen kann das Stellglied 28 ein Pneumatikzylinder sein.
In einer alternativen Ausführungsform, wie in 4 kann die Schweißpistole 10 eine ”X”-förmige Konfiguration aufweisen. Die Widerstandspunktschweißpistole 10 hat einen oberen Elektrodenhalterarm 118 und einen unteren Elektrodenhalterarm 116, die beide durch ein Gelenk 200 beweglich sind. In alternativen Ausführungsformen kann ein Elektrodenhalterarm fixiert sein, während der andere Elektrodenhalterarm bewegbar ist durch ein Gelenk 200. Die inneren Enden der Elektrodenhalterarme 118, 116 sind in einem oberen Elektrodenschenkel 122 und einem unteren Elektrodenschenkel 120 montiert. Die Elektroden 16, 18 sind an den freien Enden der Halterarme 116, 118 montiert, um Werkstücke mit einer vorbestimmten Elektrodenbelastung einzurasten und zu klemmen. Die vorbestimmte Elektrodenbelastung wird vom Stellglied 28 angewendet, welches eine Kopplung aufweist, die den unteren Elektrodenschenkel 120 mit dem oberen Elektrodenschenkel 122 verbindet.
Das bewegliche Element 26 des Stellglieds 28 ist konfiguriert, um den unteren und oberen Elektrodenschenkel 120, 122 und den jeweiligen unteren und oberen Elektrodenhalterarm 116, 118 durch ein Gelenk 200 zu schwenken, wodurch die Elektroden 16, 18 in Richtung hin und weg von den Werkstücken bewegt werden. In einer alternativen Ausführungsform ist das bewegliche Element 26 des Stellglieds 28 so konfiguriert, dass es einen Elektrodenschenkel und den jeweiligen Elektrodenhalterarm schwenkt, während der andere Elektrodenschenkel und der jeweilige Elektrodenhalterarm fixiert ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Stellglied 28 ein Pneumatikzylinder sein.
Der Schweißpistolenarm 20, der in 1 dargestellt wird, kann stationär sein oder sich am Ende eines Roboterarmes befinden. Bei beiden Anordnungen wird die Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 mit dem Schweißpistolenarm 20 verbunden, um Widerstandsschweißvorgänge ordnungsgemäß vorzunehmen. Die Prozesssteuerung 30 wird programmiert, um die Bewegung des Roboters und/oder der Betätigung der Schweißmaschine zu aktivieren oder um die Werkstücke 12, 14 zu erfassen oder empfangen. Die Prozesssteuerung 30 verwaltet das Stellglied 28 und eine Schweißstromsteuerung 36.
Die Schweißstromsteuerung 36 regelt den Durchgang eines Schweißstroms von einer entfernten Quelle, die nicht dargestellt wird. Die Schweißenergiequelle kann 50 Hz oder 60 Hz Einphasen- oder Dreiphasen-Wechselstrom, ein Wechselrichter oder eine andere halbleitergesteuerte Stromversorgung, eine Kondensatorbank, Batterie oder eine andere geeignete Stromquelle sein. Auf Befehl einer Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 wird der Primärstrom durch eine Primärstromleitung 38 zum Schweißtransformator 40 geleitet. Der Schweißtransformator 40 wandelt den Primärstrom auf eine niedrigere Spannung, aber höhere Stromstärke um. Ein Sekundärschweißstrom wird durch eine Sekundärstromleitung 42 und dem beweglichen Element 26 sowie dem Schweißpistolenarm 20 und dem Elektrodenhalter 22, die leitend sind, bereitgestellt. In einer alternativen Ausführungsform kann Strom direkt an die Elektroden aus der Schweißstromversorgung ohne einen Schweißtransformator 40 übertragen werden. Der Schweißstrom kann in der Größenordnung von weniger als 100 bis mehr als 100.000 Ampere (A) sein und der Zeitraum, die der Strom zugeführt wird, kann im Bereich von weniger als 5 Millisekunden bis zu über 1 Sekunde liegen, abhängig von den Erfordernissen des Schweißvorgangs.
Wenn die bewegliche Elektrode 18 mit dem Werkstück 14 in Kontakt gebracht wurde, leitet die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 den Schweißvorgang ein. Vor dem Anlegen einer Spannung an die Elektroden 16, 18 kann ein Vorbehandlungsschritt durchgeführt werden, der zwischen der Anwendung der mechanischen Belastung einer ersten festen Elektrode und der mechanischen Belastung einer zweiten festen Elektrode abwechselt, um die Schnittstelle zwischen den Werkstücken 12, 14 abzustützen. Der Vorbehandlungsschritt kann den elektrischen Kontakt zwischen den Werkstücken 12, 14 erhöhen, so dass der elektrische Widerstand an der Grenzfläche zwischen den Werkstücken 12, 14 reduziert wird. Der Schweißstromsteuerung 36 wird befohlen, Strom durch die Elektroden 18 und 16 zu liefern, während die Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 dem Stellglied 28 befiehlt, die bewegliche Elektrode 18 während des Schweißvorgangs zur Steuerung der mechanischen Belastung der Elektrode an Werkstücken 12, 14 zu bewegen. Die durch die auf die Werkstücke 12, 14 angelegte Spannung hervorgerufene Joulesche Erwärmung bewirkt, daß die Werkstücke 12, 14 sich thermisch ausdehnen und eine Schweißlinse zwischen den Schnittstellen der Werkstücke 12, 14 bilden. Die thermische Ausdehnung bewirkt die Bewegung der Elektroden 16, 18, die ihrerseits eine Verschiebung des beweglichen Glieds 26 des Stellglieds 28, sowie eine Ablenkung in den Schweißpistolenarmen hervorruft. Die Verbindung der Verschiebung des beweglichen Glieds 26 des Stellglieds 28 sowie der Ablenkung der Schweißpistolenarme bieten eine genaue Anzeige der thermischen Reaktion der Schweißnaht. Das Verfahren gilt auch für das Projektionsschweißen.
Nach dem Ende der Spannung an den Elektroden 16, 18 beginnt die Kühlung des Schweißpunktes und verursacht eine thermische Kontraktion der Werkstücke 12, 14. Am Ende der Verfestigung der Metallschmelze wird die Elektrodenbelastung freigegeben, um die Bewegung der Elektroden 16, 18 in Richtung einer anderen Stelle auf den zu schweißenden Werkstücken 12, 14 zu ermöglichen.
Eine Punktschweißlinse 44, die Werkstücke 12, 14 verbindet, wird in der vergrößerten Teilschnittansicht von 2 gezeigt. (Diese Zahl sollte fest sein, indem die Breite der eingeschnittenen Abschnitte 46 und 50 breiter als der Linsendurchmesser D ist.) Die Linse 44, mit einem elliptischen Querschnitt, wird an den Stoßflächen der Werkstücke 12, 14 gebildet. Die Oberseite 48 des Blechs 14 ist etwas eingedrückt an der Fläche 46 unterhalb der Ebene der Fläche 48. Diese Vertiefung (bei I angegeben) von der Oberfläche 48 zur Oberfläche 46 ergibt sich aus der plastischen Verformung des Werkstücks 14 durch die von der beweglichen Elektrode 18 angewendeten Schweißkraft. Die eingeschnittene Fläche 46 entspricht der Form der Oberfläche der Spitze der beweglichen Elektrode 18, die in Kontakt mit der Oberfläche 48 ist. Ähnlich ist ein unterer Oberflächenbereich 50 des Blechs 12 in Fläche 52 des Werkstücks 12 eingeschnitten aufgrund der Reaktionskraft der festen Elektrode 16.
Für die genaue Messung der Elektrodenverschiebung, Kraft (d. h. mechanische Belastung der Elektrode) und Strom als Funktion der Zeit während des Schweißvorgangs wurde nachgewiesen, dass sie in der Lage sind, ein zuverlässiges Maß für die Wiederholbarkeit des Schweißprozesses bereitzustellen. Dies liegt daran, dass für eine gegebene angelegte Elektrodenkraft und -strom Veränderungen in der Schweißkonsistenz von Schweißnaht zu Schweißnaht zu einer Änderung der Elektrodenverschiebung als eine Funktion der Zeit und/oder eine Änderung der mechanischen Belastung der Elektrode als eine Funktion der Zeit führen wird. Allerdings sind diese Signale oft unpraktisch zu messen mit den herkömmlichen Widerstandsschweißmaschinen wegen der Wechselwirkung zwischen der tatsächlichen Elektrodenbewegung, der aufgebrachten Kraft und der betriebenen Mechanismen der verschiedenen Maschinen. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Messverfahren, um einen Parameter zu formulieren, der hierin als ”angepasste thermische Kraft” (ATF) beschrieben wird, mit der eigentlichen Auswertung der Schweißnaht korreliert, eine Messung, die minimal durch die unterschiedlichen Eigenschaften der unterschiedlichsten Arten von Widerstandsschweißmaschinen im kommerziellen Einsatz beeinflusst wird.
3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Widerstandspunktschweißpistole 10. Die Schweißpistole 10 umfasst eine Sensorkonfiguration 101, 102, die zur Messung der Elektrodenverschiebungswerte als Funktion der Zeit während des Widerstandsschweißverfahrens konzipiert wurde. Die Schweißpistole 10 umfasst auch eine Sensorkonfiguration 102, 103, um die mechanischen Belastungswerte der Elektrode zu messen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Schweißpistole 10 auch eine Sensorkonfiguration (siehe 5) umfassen, um den Strom, der durch die Elektroden 16, 18 fließt, zu messen.
Die Schweißpistole 10 umfasst eine Sensorkonfiguration 101, 102, die zur Messung der Verschiebung der Elektroden 16, 18 als Funktion der Zeit während des Widerstandsschweißverfahrens konzipiert wurde. Die Elektrodenverschiebung resultiert aus der thermischen Ausdehnung der Werkstücke während des Widerstandsschweißverfahrens. Während des Widerstandsschweißverfahrens führen die Widerstandseigenschaften der Werkstücke dazu, dass sich die Temperatur der Werkstücke erhöht, da eine Spannung über die Elektroden 16, 18 angelegt wird. Die thermische Ausdehnung ist eine momentane physikalische Reaktion auf die Durchschnittstemperatur durch die Achse der Werkstücke, eine Messung der thermischen Ausdehnung (d. h. eine Messung der Elektrodenverschiebung) bietet eine Methode zur Überwachung der Temperatur, die während der Schweißnahtbildung erreicht wird. Da die Größe und Stärke der Schweißnaht mit der Temperatur während des Schweißens verknüpft werden kann, bietet die Messung der bereinigten thermischen Kraft eine praktische Methode zur Messung der Schweißkonsistenz sowie der Größe und Stärke der Schweißnaht.
Wenn keine Stellgliedbewegung während der Bildung einer Schweißnaht erfolgt, dann bietet die Kraftänderung ”thermische Kraft” eine gute Messung für die thermische Antwort der Schweißnaht, Anzeichen für die Wiederholbarkeit der Schweißnaht. Bei Vorhandensein von Stellgliedbewegung, die während des Schweißens auftritt, verschlechtert sich das Maß der ”thermischen Kraft”, die durch die Messung einer Änderung im Ausgangssignal des Sensors 102 als ein Maß der ”thermischen Kraft” erhalten wird. Das verbundene Maß der thermischen Kraft ”bereinigte thermische Kraft” (ATF) liefert eine Messung, die mit ”thermische Kraft” vergleichbar ist, die vom Sensor 102 gemessen würde, wenn keine Stellgliedbewegung während des Schweißens erfolgen würde.
Die Widerstandsschweißpistole 10 in 3 enthält einen Stellgliedverschiebungssensor 101. Der Stellgliedverschiebungssensor 101 ist elektrisch an der Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 angeschlossen und kann an einer festen Fläche der Schweißpistole 10 montiert werden. Der Stellgliedverschiebungssensor 101 ist so konfiguriert, dass er die Verschiebung des beweglichen Glieds 26 im Stellglied 28 während des Widerstandspunktschweißverfahrens misst. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stellgliedverschiebungssensor 101 auf der gleichen Fläche montiert, die den festen Teil des Stellglieds 28 stützt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Stellgliedverschiebungssensor 101 innerhalb des Stellglieds 28 eingebettet. Der Stellgliedverschiebungssensor 101 umfasst ferner die Bindung an das bewegliche Element 26 des Stellglieds 28, um die Änderung der Position des beweglichen Elements 26 zu messen. Vorzugsweise ist der Stellgliedverschiebungssensor 101 ein linearer variabler Differentialtransformator, ein Linearpotentiometer, Quadraturphasewertgeber, oder Absolutwertgeber, der die Änderung der Position des beweglichen Elements 26 des Stellglieds 28 überwacht, das für die mechanischen Belastung der Elektrode verantwortlich ist.
Die Widerstandsschweißpistole 10 umfasst auch einen Kraftsensor 102, der elektrisch mit der Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 verbunden und konfiguriert ist, eine momentane mechanische Belastung der Widerstandsschweißpistole 10 während des Widerstandsschweißverfahrens zu messen. Vorzugsweise ist der Kraftsensor 102 (momentane mechanische Belastung) ein Stress-Wandler oder andere Belastungsmessvorrichtung, die am Schweißpistolenarm 20 an einer Position angebracht ist, die einer Ablenkung unterzogen wird, wenn das Stellglied 28 eine mechanische Belastung der Elektrode auf die Werkstücke ausübt und wenn sich die Werkstücke wegen der Bildung der Schweißnaht thermisch ausdehnen und zusammenziehen. Der Kraftsensor 102 kann auch ein piezoelektrischer Sensor sein, der am Schweißpistolenarm 20 an einer Position montiert ist, die einer Ablenkung unterzogen wird, wenn das Stellglied 28 eine mechanische Belastung der Elektrode auf die Werkstücke ausübt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schweißpistole 10 auch einen zweiten Kraftsensor 103, der elektrisch mit der Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 verbunden ist und konfiguriert ist, um die mechanische Belastung der Elektrode, die auf das Stellglied ausgeübt wird, zu messen. Mit anderen Worten, der zweite Kraftsensor 103 (auf Stellglied ausgeübte mechanische Belastung der Elektrode) misst die auf die Werkstücke angewendete Kraft durch das Stellglied 28. Der zweite Kraftsensor 103 hat ein reduziertes Einschwingverhalten zu der einwirkenden Kraft, weil Verknüpfungen und Reibungsflächen, Bindung und Hysterese dazwischen vorliegen, wo er angebracht ist, und der Elektrodenkraft, die gemessen werden soll, aber weil er direkt in einer Linie mit der Kraft erzeugenden Kopplung positioniert ist, ist er in der Lage, eine kalibrierte Messung der tatsächlich durch die Kopplung ausgeübten Kraft bereitzustellen, die verwendet werden kann, um die Ausgabe des Sensors 102 zu skalieren, um ein Maß der Elektrodenkraft bereitzustellen, die nicht nur ein ausgezeichnetes Einschwingverhalten aufweist sondern auch kalibriert ist, um eine genaue Kraftmessung bereitzustellen. Der zweite Kraftsensor 103 kann eine Dehnmessstreifen-Brückentyp-Wägezelle integriert in der Kopplung sein, die das bewegliche Element 26 des Stellgliedes 28 mit der Elektrode 18 verbindet.
4 zeigt eine alternative bevorzugte Ausführungsform einer Widerstandspunktschweißpistole 10. Die Schweißpistole 10 umfasst eine Sensorkonfiguration zur Messung von Elektrodenverschiebungswerten als Funktion der Zeit während des Widerstandsschweißverfahrens. Die Schweißpistole 10 umfasst auch eine Sensorkonfiguration, um die mechanischen Belastungswerte der Elektrode zu messen, sowie eine Sensoranordnung, um den Strom zu messen, der durch die Elektroden 16, 18 fließt.
Die Widerstandsschweißpistole 10 in 4 enthält einen Stellgliedverschiebungssensor 101. Der Stellgliedverschiebungssensor 101 ist elektrisch an der Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 angeschlossen und kann auf einer festen Oberfläche der Schweißpistole 10 montiert werden. Der Stellgliedverschiebungssensor 101 ist so konfiguriert, um die Verschiebung des beweglichen Elements 26 im Stellglied 28 zu messen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stellgliedverschiebungssensor 101 auf der gleichen Fläche montiert, die den festen Teil des Stellglieds 28 stützt. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Stellgliedverschiebungssensor 101 innerhalb des Stellglieds 28 eingebettet. Der Stellgliedverschiebungssensor 101 umfasst ferner die Bindung an das bewegliche Element 26 des Stellglieds 28, um die Änderung der Position des beweglichen Elements 26 zu messen. Vorzugsweise ist der Stellgliedverschiebungssensor 101 ein linearer variabler Differentialtransformator, ein Linearpotentiometer, Quadraturphasewertgeber, oder Absolutwertgeber, der die Änderung der Position des beweglichen Elements 26 des Stellglieds 28 überwacht, das für die mechanischen Belastung der Elektrode verantwortlich ist.
Die Widerstandsschweißpistole 10 in 4 umfasst auch einen Kraftsensor 102, der elektrisch mit der Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 verbunden ist und konfiguriert ist, um eine momentane mechanische Belastung während des Widerstandsschweißprozesses zu messen. Vorzugsweise ist der Kraftsensor 102 ein Stress-Wandler oder eine andere Belastungsmessvorrichtung, die am festen oberen Elektrodenhalterarm 118 oder am beweglichen unteren Elektrodenhaltearm 116 an einer Position befestigt werden kann, die einer Ablenkung unterzogen wird, wenn das Stellglied 28 eine mechanische Belastung der Elektrode auf die Werkstücke anwendet. In einer alternativen Ausführungsform kann der obere Elektrodenhalterarm 118 bewegbar sein, während der untere Elektrodenhalterarm 116 fest ist, oder der obere und der untere Elektrodenhalterarm 116, 118 ist beweglich.
Der Kraftsensor 102 kann ein piezoelektrischer Sensor sein, der am oberen oder unteren Elektrodenhalterarm 118, 116 an einer Position montiert ist, die einer Ablenkung unterzogen wird, wenn das Stellglied 28 eine mechanische Belastung der Elektrode auf die Werkstücke ausübt. In einer alternativen Ausführungsform kann der Kraftsensor 103 eine Wägezelle sein, die direkt in einer Linie mit der Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 26 des Stellgliedes 28 ist, dessen statische Ausgabe nach dem Aufbringen der Elektrodenkraft und vor dem Beginn der Schweißwärme zum Kalibrieren von Sensor 102 verwendet wird, der anschließend verwendet wird, um die Elektrodenkraftmessungen während des Gleichgewichts der Dauer der Schweißnaht bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kraftsensor 102 am unteren Elektrodenhalterarm 116 in einer praktischen Position montiert, die eine gutes Messsignal erfasst im Verhältnis zur Auslenkung durch die Biegung des unteren Elektrodenalterarms 116 in Reaktion auf die mechanische Belastung der Elektrode, die von den Elektroden 16, 18 auf den Werkstücken ausgeübt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Schweißpistole 10 in 4 auch einen zweiten Kraftsensor 103, der elektrisch mit der Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 verbunden ist und konfiguriert ist, um die angelegte mechanische Belastung der Elektrode zu messen. Mit anderen Worten, der zweite Kraftsensor 103 misst die auf die Werkstücke angewendete Kraft durch das Stellglied 28. Der zweite Kraftsensor 103 ist so kalibriert, um genaue Messungen der statischen Kraft bereitzustellen, die durch das bewegliche Element 26 des Stellglieds 28 auf die Werkstücke über die Elektroden 16, 18 angewendet wird. Der zweite Kraftsensor 103 kann ein piezoelektrisches oder eine Dehnmessstreifen-Brückenwägezelle sein, die zwischen dem Stellglied 28 und dem beweglichen Bausatz 26 eingefügt oder in den Schweißkopf oder Stellglied 28 eingebaut werden kann. In einer alternativen Ausführungsform, bei der das Stellglied ein elektrisch servobetriebener Mechanismus ist, kann der für den Betrieb des Servos verwendete Strom ein Maß der angelegten quasistatischen Kraft bieten. In einer alternativen Ausführungsform, bei der das Stellglied ein Pneumatikzylinder ist, kann ein Drucksensor ein Maß der angelegten quasistatischen Kraft bieten, die zur Kalibrierung des transienten Kraftsensors 102 verwendet werden kann.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Überwachung der thermischen Reaktion bei der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine das Ableiten einer verbundenen Messung, die eine Funktion der von den zwei Sensoren bereitgestellten Informationen ist, wobei ein Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißens und der andere Sensor eine Änderung der Position der Kopplung des Schweißgeräts überwacht, die die Elektrodenkraft anwendet. Informationen, die von der Überwachung der thermischen Antwort bereitgestellt werden, können verwendet werden, um Informationen über die Qualität der Schweißnaht bereitzustellen, wie hierin beschrieben.
Die thermische Reaktion kann durch Berechnung der angepassten thermischen Kraft (”ATF”) durch Anwenden einer ersten Elektrodenkraft (”EF1”), und Messen einer ersten Kopplungsposition (”LP1”) Anwenden einer zweiten Elektrodenkraft (”EF2”) und Messen einer zweiten Kopplungsposition (”LP2”), dann der Berechnung von ATF als ATF = (EF2 – EF1) + K2·(LP2 – LP1) überwacht werden. Die ATF-Messung kann in eine Expansionsmessung umgewandelt werden durch Dividieren von ATF durch die Federkonstante K2. Die Federkonstante K2 kann durch Messen einer anfänglichen Kraft (”EF1”) und einer anfänglichen Position der Kopplung (”LP1”), Messen einer zweiten Kraft (”EF2”) und einer zweiten Position der Kopplung (LP2) berechnet werden, wobei K2 = (EF2 – EF1)/(LP2 – LP1). Somit kann eine Korrektur der thermischen Kraftmessung durch die Bewegung der Kopplung hervorgerufen werden, die während der Schweißung auftritt, durch Ableiten einer verarbeiteten thermischen Kraftmessung, die auf eine Schweißreaktion hindeutet, kann für die Standard-Schweißvorrichtung verwendet werden. Die Korrektur kann mit einem Wandler erreicht werden, der die Bewegung der Kopplung überwacht, und durch Multiplizieren der Bewegungsänderung als Funktion der Zeit in Bezug auf die Anfangsposition der Kopplung zu Beginn der Schweißung durch eine Federkonstante der Schweißvorrichtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet ein Verfahren zur Überwachung der relativen Elektrodenkraft eine Verbundmessung, die eine Funktion von Informationen von zwei Sensoren ist, wobei ein Sensor die Kraft auf die Kopplung überwacht, die die Elektrodenkraft anwendet, und der andere Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißens überwacht. Das Verfahren kann eine automatische Kalibrierung der Sensoren umfassen, um eine genauere Messung der momentanen Elektrodenkraft als eine Funktion der Zeit zu bieten, die immun gegen die Abweichung ist, als anderenfalls mit einem einzigen Sensor erreicht wird. Die Elektrodenkraft kann als eine Funktion der Zeit während der Erzeugung der Schweißnaht wie folgt gemessen werden. Ein mechanischer Belastungswert der Elektrode (”EMLV”), der als eine Funktion der Zeit gemessen wird, kann durch ein Verfahren zur Verarbeitung von Messungen gefunden werden, die durch den ersten Kraftsensor 102 und den zweiten Kraftsensor 103 erfasst wurden. Um die Elektrodenkraft auf die Werkstücke zu berechnen, misst der zweite Kraftsensor 103 eine erste angelegte Kraft (”F(a_i)”), die durch das bewegliche Element 26 des Stellglieds 28 auf die Werkstücke aufgebracht wird. Dieser anfänglich angelegte Kraftwert wird bei der kalibrierten Änderung der Kraft addiert (d. h. die mechanische Belastung der Elektrode), die während des Schweißprozesses auf das Stellglied 28 angewendet wird, wobei die vorkalibrierte Kraftänderung durch Kraftsensor 102 gemessen wird. Die kalibrierte Kraftänderung wird als eine Funktion der Zeit gemessen, wobei (”K”) der Kalibrierungsfaktor ist. Der Kalibrierungsfaktor (”K”) wandelt die Änderung in Krafteinheiten, die vom Kraftsensor 102 gemessen werden, in Einheiten um, die sich im Wesentlichen den anfänglich aufgebrachten Kraftwerteinheiten ähneln, die vom Kraftsensor 103 gemessen werden. Diese kalibrierte Änderung des Kraftwerts wird dann bei dem Ausgangskraftwert hinzugefügt, um den EMLV zu erzeugen. Also EMLV = F(a_i) + F[Kraft(t)]·K
Die kalibrierte Kraftänderung wird gefunden, indem zuerst die Anfangskraft (”F(t_i)”) auf den Werkstücken durch die Elektroden 16, 18 vor dem Aufbringen der Schweißwärme gemessen wird. Dieser anfängliche Kraftwert wird dann von einem nachfolgenden momentanen Kraftwert (”F(t)”) subtrahiert, der während des Schweißprozesses erfasst wird. Die Veränderung der Kraft wird dann mit einem Koeffizienten kalibriert, so dass die Änderung in Krafteinheiten in Einheiten umgewandelt wird, die sich den Ausgangskrafteinheiten im Wesentlichen ähneln. Also F[Kraft(t)] = [F(t) – F(t_i)]·K [0043] Der K-Koeffizient (d. h. Kalibrierungsfaktor) wird durch Messen der Änderung der aufgebrachten Kraft der Elektroden 16, 18 in Bezug auf eine bekannte Änderung der durch die mechanische Belastung der Elektrode aufgebrachten Kraft gemessen vom Kraftsensor 103 gefunden. Eine erste angewandte Kraftmessung (”F(a₁)”) wird von einer zweiten angewandten Kraftmessung (”F(a₂)”) subtrahiert. Dieser Wert wird dann durch einen entsprechenden ersten Kraftwert (”F₁”) geteilt, der bei der ersten angewandten Kraftmessung erhalten wurde, die von einem entsprechenden zweiten Kraftwert (”F₂”) subtrahiert wird, der bei der zweiten angewandten Kraftmessung erhalten wurde. Die entsprechenden Werte werden von Kraftsensor 102 gemessen. Also K = [F(a₂) – F(a₁)]/(F₂ – F₁)
Die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 verwendet die vorstehenden Gleichungen, um die momentane mechanische Belastungsvariable, die Stellgliedverschiebungsvariable und/oder die Variable der vom Stellglied aufgebrachten mechanischen Belastung der Elektrode zu bearbeiten, um den Wertebereich für die Elektrodenverschiebung und/oder die mechanische Belastung der Elektrode zu bestimmen. Die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 ruft dann den maximalen Elektrodenverschiebungswert oder den maximalen Wert der mechanischen Belastung der Elektrode während des Widerstandsschweißverfahrens auf. Unter Verwendung von Informationen, die in der Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 gespeichert sind, bestimmt die Prozesssteuerung 30, ob der maximale Elektrodenverschiebungswert oder der maximale mechanische Belastungswert der Elektrode in den vorgegebenen Toleranzbereich der Zielwerte fällt. In einer alternativen Ausführungsform wird die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 bestimmen, ob der maximale Elektrodenverschiebungswert und der maximale mechanischen Belastungswert der Elektrode jeweils in einem vorgegebenen Toleranzbereich der Zielwerte fällt. In einer alternativen Ausführungsform wird die Musterantwort analysiert, um spezifische Bedingungen wie Probleme mit dem Austritt oder der Einpassung zu identifizieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 während des Punktschweißprozesses Strom durch die Elektroden anlegen, solange der berechnete Elektrodenverschiebungswert innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs der Zielwerte fällt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 während des Schweißprozesses Strom durch die Elektroden anlegen, solange die berechneten ATF-Werte innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs der Zielwerte fallen. Mit anderen Worten, Strom wird während des Schweißvorgangs durch die Elektroden angelegt, solange die berechneten ATF-Werte eine vorbestimmte minimale Menge von Werten übertreffen und die berechneten ATF-Werte nicht eine vorbestimmte maximale Menge von Werten überschreiten. Die Prozesssteuerung für mehrere Variablen kann bestimmen, ob die Schweißnaht abgelehnt werden sollte, wenn die berechneten ATF-Werte nicht innerhalb der vorgegebenen Toleranzbereiche der Zielwerte fallen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Messungen der momentanen mechanischen Belastungsvariable, der Stellgliedverschiebungsvariable und der Variable der vom Stellglied aufgebrachten mechanischen Belastung zu dem Zeitpunkt erfasst, zu dem die mechanische Belastung der Elektrode auf die Werkstücke angelegt wird, bevor Strom durch die gegenüberliegenden Elektroden angelegt wird, um eine Kühlphase abzuschließen, nachdem kein Strom mehr durch die gegenüberliegenden Elektroden zugeführt wird. Zusätzlich in einer bevorzugten Ausführungsform sollte die mechanische Belastung der Elektrode während der Kühlphase auf die Werkstücke angelegt werden, bis die berechnete Elektrodenverschiebung und/oder die berechnete mechanische Belastung der Elektrode unter einen vorgegebenen Wert fällt.
Wenn gewünscht, kann die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 programmiert werden, um Schweißnähte basierend auf der oben beschriebenen Messungen zu akzeptieren oder abzulehnen. Noch besser kann, falls eine Schweißnaht abgelehnt wird, die Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 programmiert werden, um einen Bediener der Widerstandsschweißmaschine auf die Ablehnung und den Grund für die Ablehnung aufmerksam zu machen.
In einer weiteren Ausführungsform verwendet ein Verfahren zur Überwachung des Stroms zwei Stromsensoren. 5 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Widerstandspunktschweißpistole 10, wobei ein erster Stromsensor 104 und ein zweiter Stromsensor 105 verwendet werden, um den Strom auf die Werkstücke 12, 14 durch die Schweißpistole 10 zu überwachen.
Bezugnehmend auf 5 wird die Schweißpistole 10 durch ein Paar von Stromleitungen 512 mit elektrischer Stromversorgung bereitgestellt. Ein Transformator 40 reduziert die Netzspannung und erhöht den Elektrodenstrom, der dem Sekundärstromkreis 516 und den Elektroden 16, 18, die die Wärmewerkstücke 12, 14 erwärmen, bereitgestellt wird. Der durch den Sekundärstromkreis 516 fließende Elekrodenstrom ist der Strom, der zu messen und kontrollieren ist. Stromleitungen 512 stellen die Netzspannung zur Verfügung, die vom Transformator 40 empfangen wird. Stromleitungen 512, der Transformator 40 umfasst eine Primärstromkreis. Der erste Stromsensor 104 ist vorzugsweise eine toroidförmige Luftspule (auch Rogowski-Spule genannt). Der erste Stromsensor 104 umgibt einen Querschnitt des Sekundärstromkreises 516 und kann sich an einem beliebigen Punkt im Sekundärstromkreis 516 befinden. Die Veränderungen des Elektrodenstroms, der durch den Sekundärstromkreis 516 fließt, induzieren eine elektromagnetische Kraft (EMK) innerhalb des Toroids des ersten Stromsensors 104. Diese EMK bewirkt ein Differenzspannungssignal, das von der Spule des ersten Stromsensors 104 erzeugt wird, das proportional zu der Änderungsrate des magnetischen Feldes ist, das durch den Elektrodenstrom induziert wird, der durch den Schweißstromkreis 516 fließt. Somit ist das durch die Spule des ersten Stromsensors 104 erzeugte Differenzspannungssignal proportional zu dem ersten Differential bezüglich des Zeitraums des Elektrodenstroms, der durch den Sekundärstromkreis 516 fließt.
Der erste Stromsensor 104 ist elektrisch mit der Prozesssteuerung für mehrere Variablen 30 verbunden und arbeitet in Verbindung mit einem elektronischen Integrator 505, um genau kalibrierte Hochstrommessungen zu erzeugen, jedoch nur für einen sehr begrenzten Zeitraum, weil sich der Integrationsfehler als eine Funktion der Zeit erhöht. Daher kann ein zweiter Stromsensor 105 verwendet werden, der nicht kalibriert ist, aber eine Ausgabe erzeugt, die proportional zu dem Strom ist, ohne einen Fehler zu haben, der als eine Funktion der Zeit zunimmt, um während des Widerstandsschweißverfahrens über einen längeren Zeitraum den Strom zu messen. Der zweite Stromsensor 105 erzeugt ein konditioniertes Ausgangssignal, das eine lineare Funktion des Elektrodenstroms über lange Zeiträume ist. Der zweite Stromsensor 105 ist elektrisch mit der Prozesssteuerung mit mehreren Variablen 30 verbunden und erzeugt ein Signal in Reaktion auf den Strom im Schweißschaltkreis 516. Der zweite Stromsensor 105 kann ein Hall-Effekt-Sensor, Shunt-Widerstand oder primäre Strommesseinrichtung sein, die eine Ausgabe bietet, die proportional zum Schweißstrom ist. Daher kann ein System, das den mit der toroidförmigen Luftspule kalibrierten Strom verwendet (während es genaue anfängliche transiente Strommessungen produziert), um den Hall-Effekt-Sensor während der Anfangsphase des Schweißprozesses zu kalibrieren, kalibrierte Strommessungen für längere Zeiträume durchführen.
Die Messungen des ersten Stromsensors 104 und des zweiten Stromsensors 105 können durch ein Verfahren verarbeitet werden, um genaue Strommessungen während des Widerstandsschweißverfahrens für längere Zeiträume zu erzeugen. Das Verfahren umfasst die ersten und zweiten Stromsensoren 104, 105 welche jeweils gleichzeitig den Strom messen, der durch den Schweißstromkreis 516 fließt. Der erste Stromsensor 104 bietet eine erste kalibrierte Strommessung, wenn der Schweißstrom zuerst angewendet wird. Die zuvor erwähnte anfängliche kalibrierte Strommessung wird verwendet, um eine Kalibrierungsfunktion für den zweiten Stromsensor 105 zu bestimmen. Nachdem die Kalibrierungsfunktion bestimmt ist, fahrt der zweite Stromsensor 105 damit fort, Strommessungen durchzuführen, die repräsentativ für die Messungen sind, die vom ersten Stromsensor 104 erfasst wurden.
Die Kalibrierungsfunktion, die zur Umwandlung der Messungen des zweiten Stromsensors 105 in Messungen, die repräsentativ für die Messungen des ersten Stromsensor 104 sind, verwendet wird, wird durch Dividieren der Messung des ersten Stromsensors 104 durch das konditionierte Ausgangssignal des zweiten Stromsensors 105 bestimmt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verwendet ein Verfahren zur Überwachung des Elektrodenstroms zwei Stromsensoren, wobei ein erster Stromsensor den Strom während eines kurzen Zeitraums zu Beginn der Schweißung und der zweite Stromsensor den Strom für das Gleichgewicht der Schweißnaht misst. Der erste Stromsensor liefert einen kalibrierten genauen Stromwert bei Initiierung des Stromes für einen begrenzten Zeitraum, nachdem der erste Strom an die Elektroden angelegt wird. Der zweite Stromsensor bietet keine kalibrierte Stromausgabe und liefert stattdessen ein Ausgangssignal, das eine lineare Funktion des Elektrodenstroms über einen längeren Zeitraum ist. Vor dem Übergang zu dem zweiten Stromsensor wird ein Kalibrierungsfaktor auf der Grundlage der gleichzeitigen Messungen der ersten und zweiten Stromsensoren berechnet, und der Kalibrierungsfaktors wird auf das Ausgangssignal des zweiten Stromsensors angewendet.
Während die Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, wird es für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen gemacht werden und Äquivalente eingesetzt werden können, ohne von dem Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Messen der thermischen Antwort einer Schweißnaht als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht, wobei das Verfahren beinhaltet: Überwachen eines ersten Parameters, der auf eine Änderung der mechanischen Elektrodenbelastung bezüglich der mechanischen Elektrodenbelastung vor der Wärmeanwendung anspricht; Überwachen eines zweiten Parameters, der auf eine Änderung in der Position der Kopplung, die die Elektrodenbelastung ausübt, bezüglich der Position der Kopplung vor der Wärmeanwendung anspricht; Verarbeiten eines Kompositwerts des ersten Parameters und des zweiten Parameters, um einen abgeleiteten Messwerte zu erzeugen, der repräsentativ für die thermische Antwort der Schweißnaht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der abgeleitete Messwert die eingestellte thermische Kraft (”ATF”) ist, die durch die Elektroden auf die Werkstücke aufgebracht wird, wobei die eingestellte thermische Kraft berechnet wird, durch Messen einer anfänglichen Elektrodenkraft (”EF1”) mit einem ersten Sensor und einer anfänglichen Kopplungsposition (”LP1”) mit einem zweiten Sensor vor der Wärmeanwendung, durch Messen einer Elektrodenkraft (”EF2”) und Kopplungsposition (”LP2”) nach der Wärmeanwendung, durch Bestimmen einer Federkonstante (”K”) der Kopplung, und durch Berechnen von ATF als ATF = (EF2 – EF1) + K·(LP2 – LP1).
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Überwachen der Elektrodenkraft mittels einer zusammengesetzten Messung, die eine Funktion von Informationen von zwei Sensoren ist, wobei ein Sensor die Kraft überwacht, die auf die Kopplung, welche die Elektrodenbelastung ausübt, ausgeübt wird, und der andere Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißvorgangs überwacht, wobei das Verfahren eine automatische Kalibrierung der Sensoren, um die Messgenauigkeit der momentanen Elektrodenkraft als eine Funktion der Zeit zu erhöhen, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Überwachen des Elektrodenstrom unter Verwendung von zwei Stromsensoren, wobei ein erster Stromsensor den Strom während einer kurzen Zeitdauer zu Beginn des Schweißvorgangs misst, und der zweite Stromsensor den Strom für den Rest des Schweißvorgangs misst, wobei der erste Stromsensor einen kalibrierten genauen Stromwert bei Anschalten des Stromes für eine begrenzte Zeitdauer, nachdem ein erster Strom an die Elektroden angelegt worden ist, liefert, und der zweite Stromsensor ein Ausgangssignal liefert, das eine lineare Funktion des Elektrodenstroms über eine längere Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei vor dem Übergang zu dem zweiten Stromsensor ein Kalibrierungsfaktor auf der Grundlage der gleichzeitigen Messungen der ersten und zweiten Stromsensoren berechnet wird, wobei das Verfahren ferner das Konditionieren des Ausgangssignals des zweiten Stromsensors durch Anwenden des Kalibrierungsfaktors auf das Ausgangssignal des zweiten Stromsensors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei: (a) der erste Stromsensor eine Rogowski-Spule umfasst, die Strommesswerte an ein Überwachungssystem weiterleitet, welches die Strommesswerte vor oder nach dem Anschalten des Stroms zu den Elektroden integriert, (b) die Kalibrierung des zweiten Stromsensors das Teilen eines für den durch den ersten Stromsensor gemessen Stroms repräsentativen Parameters durch das konditionierte Ausgangssignal des zweiten Stromsensors umfasst, und/oder (c) die Kalibrierung des zweiten Sensors durchgeführt wird, wenn der Strom ausreichend ansteigt, um eine vorbestimmten Sensorausgangsauflösung zu liefern, aber bevor ein Integrationsoffsetfehler zu einer Messungenauigkeit führt, die die Auflösung des zweiten Stromsensorausgangs übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Konditionieren des Ausgangssignals des zweiten Stromsensors das Subtrahieren eines Offsets von dem zweiten Stromsensorausgangs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Messen eines anfänglich angelegten, durch die Elektroden fließenden Stroms durch Verwendung eines anfänglich kalibrierten Stromsensors und eines Sensors, der ein lineares Ausgangssignal, das den Strom angibt, misst, Teilen eines Messwerts des anfänglich kalibrierten Stromsensors durch das lineare Ausgangssignal, um einen Kalibrierungsfaktor zu bestimmen, Fortfahren der Überwachung des Stroms mit dem anfänglich kalibrierten Stromsensors, und die Verarbeitung des linearen Ausgangssignals mit dem Kalibrierungsfaktor um den Stroms, der durch die Elektroden fließt, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zweite Stromsensor ein Hall-Effekt-Sensor ist, der auf ein vom Elektrodenstrom erzeugtes Magnetfeld anspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der zweite Stromsensor eine Primärstrommesseinrichtung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Elektrodenkraft mit einem Kraftaufnehmer gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die angepasste thermische Kraft (ATF) in eine Dehnungsmessung gewandelt wird, indem ATF durch die Federkonstante (K) dividiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend Überwachung der Elektrodenkraft mittels einer zusammengesetzten Messung, die eine Funktion von Informationen von zwei Sensoren ist, wobei ein Sensor die Kraft überwacht, die auf die Kopplung, welche die Elektrodenbelastung ausübt, ausgeübt wird, und der andere Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißens überwacht, wobei das Verfahren eine automatische Kalibrierung der Sensoren, um die Messgenauigkeit der momentanen Elektrodenkraft als eine Funktion der Zeit zu erhöhen, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend Überwachen des Elektrodenstrom unter Verwendung von zwei Stromsensoren, wobei ein erster Stromsensor Strom während einer kurzen Zeitdauer zu Beginn des Schweißvorgangs misst, und der zweite Stromsensor den Strom für den Rest des Schweißvorgangs misst, wobei der erste Stromsensor einen kalibrierten genauen Stromwert bei Anschalten des Stromes für eine begrenzte Zeitdauer, nachdem ein erster Strom an die Elektroden angelegt worden ist, liefert, und der zweite Stromsensor ein Ausgangssignal liefert, das eine lineare Funktion des Elektrodenstroms über eine längere Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Messen eines anfänglich angelegten, durch die Elektroden fließenden Stroms durch Verwendung eines anfänglich kalibrierten Stromsensors und eines Sensors, der ein lineares Ausgangssignal, das den Strom angibt, misst, Teilen eines Messwerts des anfänglich kalibrierten Stromsensors durch das lineare Ausgangssignal, um einen Kalibrierungsfaktor zu bestimmen, Fortfahren der Überwachung des Stroms mit dem anfänglich kalibrierten Stromsensors, und die Verarbeitung des linearen Ausgangssignals mit dem Kalibrierungsfaktor um den Stroms, der während des Schweißvorgangs durch die Elektroden fließt, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend das Bestimmen, ob der berechnete Strom innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs von Zielwerten fällt.
Verfahren zum Überwachen eines Elektrodenstroms als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht, wobei das Verfahren umfasst Überwachen des Elektrodenstrom unter Verwendung von zwei Stromsensoren, wobei ein erster Stromsensor den Strom während einer kurzen Zeitdauer zu Beginn des Schweißvorgangs misst, und der zweite Stromsensor den Strom für den Rest des Schweißvorgangs misst, wobei der erste Stromsensor einen kalibrierten genauen Stromwert bei Anschalten des Stromes für eine begrenzte Zeitdauer, nachdem ein erster Strom an die Elektroden angelegt worden ist, liefert, und der zweite Stromsensor ein Ausgangssignal liefert, das eine lineare Funktion des Elektrodenstroms über eine längere Zeitdauer ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei vor dem Übergang zu dem zweiten Stromsensor ein Kalibrierungsfaktor auf der Grundlage der gleichzeitigen Messungen der ersten und zweiten Stromsensoren berechnet wird, und der Kalibrierungsfaktors auf das Ausgangssignal des zweiten Stromsensors angewendet wird.
Verfahren zum Überwachen einer Elektrodenkraft als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht, wobei das Verfahren umfasst Überwachen der Elektrodenkraft mittels einer zusammengesetzten Messung, die eine Funktion von Informationen von zwei Sensoren ist, wobei ein Sensor die Kraft überwacht, die auf die Kopplung, welche die Elektrodenbelastung ausübt, ausgeübt wird, und der andere Sensor eine Änderung der Elektrodenkraft während des Schweißens überwacht, wobei das Verfahren eine automatische Kalibrierung der Sensoren, um die Messgenauigkeit der momentanen Elektrodenkraft als eine Funktion der Zeit zu erhöhen, beinhaltet.
Verfahren zum Messen eines Stroms als Funktion der Zeit während der Herstellung einer Schweißnaht auf einer Widerstandsschweißmaschine, wobei Elektroden eine mechanische Elektrodenbelastung auf Werkstücke ausüben und ein Schaltkreis Spannung an die Werkstücke anlegt, so dass Strom durch die Werkstücke fließt und Wärme erzeugt, welche die Temperatur der Werkstücke erhöht, wobei das Verfahren umfasst Messen eines anfänglich angelegten, durch die Elektroden fließenden Stroms durch Verwendung eines anfänglich kalibrierten Stromsensors, und eines Sensors, der ein lineares Ausgangssignal, das den Strom angibt, misst, Teilen eines Messwerts des anfänglich kalibrierten Stromsensors durch das lineare Ausgangssignal, um einen Kalibrierungsfaktor zu bestimmen, Fortfahren der Überwachung des Stroms mit dem anfänglich kalibrierten Stromsensor, und die Verarbeitung des linearen Ausgangssignals mit dem Kalibrierungsfaktor um den Stroms, der während des Schweißvorgangs durch die Elektroden fließt, zu berechnen.