CN1086974C - 控制电阻焊机焊接条件的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制电阻焊机焊接条件的方法，其中利用一般特性就可推测出熔核形成状态，且能获得准确和高质量的最终焊接结果。通过依据热传导计算使用一热传导模拟器对焊接区域进行模拟的过程，推测出表示焊接期间在焊接区域熔核形成状态的状态量，在预测时间将所述状态量与参考状态量相比较，该参考状态量是由焊接期间一物理状态的形成而导出的，根据该比较结果校正该热传导模拟器，它可以准确地控制焊接条件，且能达到准确而高质量的最终焊接。

Description

控制电阻焊机焊接条件的方法及装置

                     技术领域

本发明涉及一种用于点焊的电阻焊机的焊接条件控制器。

                        背景技术

电阻焊接，尤其是点焊被用于使用钢板的各种各样的产品的焊接中，但近来有一种焊接故障增加的趋势，这就是，软钢板一般被用作传统的被焊接的材料，因而通电时不会出现问题，如果将焊接条件控制稳定，焊接质量就能保持相对稳定。可是，现已开始使用镀锌钢板或高抗拉强度钢板以取代软钢板，因此焊接故障有所增加。因此在这种情况下，就希望能找到一种不仅能简单地监测焊接条件而且能准确控制焊接质量的设备。

为解决这一问题，已发展了各种焊接质量监测设备，用于当焊接结束后鉴定最终的焊接质量，所述设备利用一种不是直接控制焊机的设备但又类似于此的技术。如果可以对焊接质量加以判定，则该结果就可反应到后续的焊接工作中。例如，已研究出下面一些方法：

1)一种方法，在该方法中，从焊接电流和电压获得头对头电阻(chip-to-chip resistance)，最终的焊接质量从头对头电阻的变化模式来鉴定，例如，如日本专利特许公开NO.昭-56-158286中披露的那样；

2)一种方法，在该方法中，将头对头电压与预定参考电压随时间的变化量相比较，通过它们之间的差异是否在允许范围内来鉴定最终的焊接质量，例如，如日本专利特许公开NO.昭-59-14312中所披露的那样，另一种方法是，把对焊接区域中有效加热的有功部分从头对头电压中提取出来，最终焊接质量从该有功部分的时间相移值来鉴定，例如，如日本专利特许公开NO.昭-59-40550或NO.昭-59-61580中披露的那样；

3)一种方法，在该方法中，检测发热温度，最终焊接质量由温度变化模式来鉴定，例如，如日本专利特许公开NO.平-1-216246中所披露的那样；

4)一种方法，在该方法中，使超声波穿透被焊材料，最终焊接质量根据穿透量鉴定，例如，如日本专利特许公开NO.昭-52-94841中披露得那样；

5)一种方法，该方法中，在焊接期间更换电极头，例如，如在日本专利特许公开NO.昭-60-40955中披露的那样；

6)一种方法，在该方法中，检测焊接电流，焊接电流的上下限被监测，以便使最终焊接稳定；以及

7)一种方法，该方法中使用热传导模型，利用计算机计算出一熔核直径，例如，如在Sano论文“点焊中传导路径和温度分布的数字分析的研究”，大阪大学研究科焊接专业硕士论文(1979)，和Nishiu“对用于电阻点焊中辅助数值计算的质量加速监测的研究”，大阪大学研究科焊接专业硕士论文(1991)中披露的那样。

此外，还有一种直接控制焊机的方法，如下：

8)一种方法，该方法中，从热传导模型中计算出基体材料温度分布，以及由温度分布而估测出熔核直径，同时通过利用焊接期间电极的移动量来校正温度分布，如日本专利特许公开NO.平-7-16791中所披露的那样。

在这些传统的方法中，方法1)难于判定最终的焊接质量，这是因为当出现电极的头部受压或产生分流时或当被焊材料是镀锌钢板时，电阻的变化模式是不均匀的。在实际使用方法2)时难于准确地判断质量，这是因为无论何时焊接条件出现变化，如电极的受压、厚度的变化等，都必须设置最终焊接的判断条件。方法3)和4)存在这样的问题，即，这些方法不能应用于安装和带有温度检测装置以及超声波传输和接收装置的工作区域。方法5)在工作区实际应用时存在一些问题如噪声、难于测量很小的移动量、电阻焊机在机械强度方面存在个体差异等等。虽然方法6)成本低且易于实现并在检测电源故障、次级导线中断等方面是实用的，但它不能判断由于电极头部分受压，蜕变电流形成等引起的电流密度降低所造成的焊接部分质量的下降。

在这些传统的焊接质量监测装置中，对各种焊接材料在焊接区域进行初步试验，从而预先得到焊接质量与评判标准之间的关系是不可能的，作为判定结果，仅仅能粗略地判断焊接部分质量。方法7)具有解决前述问题的可能性，但其有一最弱点在于它需要花费很多时间来解热传导方程。因此，已研究出高速计算熔核直径的方法，并已将一种用来在焊接结束后在焊接位置监测所有焊接点的装置付诸实践。

所以，尽管在使用电阻焊机同时已使用除方法7)和8)之外的各件传统的焊接质量监测装置，但在焊接区域仍会产生质量问题。因此，不仅需要对此进行修正，而且还有产品报废或在市场上引起麻烦的危险。此外，按照方法7)在焊接结束后，最终焊接质量可被判断鉴别，但无法对焊机本身的输出加以控制从而改善最终焊接质量。而且，虽然方法8)比方法7)前进了一步，但它仅仅校正温度分布，而没有考虑电极与板之间因电极磨损而引起的界面电阻对焊接区域温度分布估测带来的巨大影响。所以，方法8)难以准确地估计温度分布。

                         发明内容

本发明用来解决前述的通常出现的问题，其目的是提供一种控制电阻焊机焊接条件的方法，通过该法熔核被形成的状态可根据一般特性来推测，并能由该方法获得精确而高质量的最终焊接。

为达到这一目的，按照本发明，电阻焊机焊接条件的控制方法的特征在于：检测焊接电流和头对头电压；在依据两个检测值进行的热传导计算的基础上用一个热传导模拟器对焊接处进行模拟，推测焊接期间在焊接区域表示熔核形成状态的状态量，在预测的时间将这一状态量与参考状态量相比较，根据比较结果校正焊接条件，在开始焊接后，根据表示焊接状态的监测值改变热传导模拟器的设置或数字量中的至少一个。

根据上述方式，本发明的电阻焊机的焊接条件的控制方法的特征在于，检测焊接电流和头对头电压；在依据两个检测值进行的热传导计算的基础上用一个热传导模拟器进行焊接区域模拟的热传导模拟，推测焊接期间在焊接区域表示熔核形成状态的状态量，在预测的时间将这一状态量与参考状态量相比较，根据比较结果校正焊接条件，且改变热传导模拟器的配置或数值中的至少一个。例如，通过在焊接开始后，根据表达焊接状态的监测器值***一界面电阻，以便在焊接期间因焊接电极的受压和被焊材料表面状态的变化引起的焊接区域状态的真正变化能被反应到热传导模拟器上。所以，总是可以对焊接区域进行高准确度的模拟，且能更准确地实现对电阻焊机焊接条件的控制。

此外，本发明提供了一种使用一热传导模拟器来控制电阻焊机焊接条件的装置，所述热传导模拟器根据检测到的焊接电流和头对头电压值进行的热传导计算进行焊接区域的模拟，所述装置包括：

焊接期间由所述热传导模拟器在所述焊接区域推测表示熔核形成状态的状态量的装置；

在估测时间将所述的状态量与一参考状态量进行比较的装置，所述参考状态是根据表示焊接状态的监测器值来被确定的；

依据比较结果校正焊接条件的装置；以及

依据比较结果改进所述热传导模拟器的配置或数值中的至少一个的装置，以便使得所述状态量与所述参考状态量相一致。

                           附图说明

图1是描述实现本发明电阻焊机的焊接条件控制方法的一实施例的方框图。

图2是描述相同电阻焊机的焊接条件控制方法的流程图。

图3是表示在使用电阻焊机焊接期间，当磁导率的变化从熔核的阻抗变化中测定出时，焊接电流和阻抗的波形图。

图4是表示热传导模拟器形状的计算格状图。

图5表示热传导模拟器配置改进后状态下的计算格状图。

图6是当边缘(flinging)系数改变时边缘系数的特性图。

图7是当边缘系数变化时由热传导模拟器测定出的熔核产生的特性图。

                       具体实施方式

下面将参考图1到图7来描述实现本发明的电阻焊机的焊接条件控制方法的一实施例。

在图1中，标号1表示用于预先设定焊接部分尺寸的条件设定部；标号2表示信号处理部分，焊接电流和焊接电压提供给该部以用来根据这些电流和电压值进行信号处理；标号3表示磁导率变化检测部分；标号4表示根据热传导计算结果模拟焊接部分的热传导模拟器；标号5是一比较部分，根据磁导率被检测出的时间测定焊接部分被熔化焊接时间，并将测定出的值与由热传导模拟器4测定出的熔化时间进行比较；标号6表示控制焊接电源的控制部分；标号7表示焊接电源；标号8表示焊接电极；标记号9表示焊接电流检测部分；10表示头对头电压检测电缆；11表示被焊材料。

下面将参考图2中的流程图描述焊接条件的控制过程。

首先，在那些不受控制的焊接条件的各种系数，各种尺寸，即，被焊材料的质量和厚度，电极头的形状等由条件设定部分1提供后焊接开始。焊接电流值、焊接电压等要被控制的对象被连续输入到信号处理部分2，且根据要被焊接材料的阻抗变化，所述阻抗变化是通过用焊接电流的瞬时值除焊接电压的瞬时值而获得的，通过磁导率变化检测部分3确定被焊磁性材料的温度是否增加到等于或大于磁转变温度(居里温度)从而产生一磁导率变化，从而确定一感应元件是否突然减少(图2)。与此同时，焊接电流和电压的测定值被提供给热传导模拟器4。

下面将描述这一热传导模拟器的操作。数值操作是通过根据单位时间纵向和横向分割被焊材料11和焊接电极8和网格来进行的(图4)。

第一步，确定象边缘系数这样的材料系数，该系数在一将要进行数字操作的区域将特定的电阻值或电流流动路径考虑进去。上述被测得的焊接电流和电压值被输入由确定的材料系数构成的差分方程中以便进行数字操作，从而计算出每一格子中的电流密度和传导直径。

第二步，解出由象指定热量，热传导率等这类材料系数构成及上述的传导直径所构成的温度方程，并因而计算出每一格子中的温度分布。其中温度在计算出的温度分布中超出熔化温度的面积即称之为一个熔核。

第三步，利用每一格子(图5)中计算出的温度分布加入界面电阻，或修正边缘系数。重复第一步至第三步直到通电结束。

当通过磁导通变化检测部分3确定磁导通发生变化时，从焊接开始直到磁导率产生变化的时间，即直到发现被焊接材料中心部分达到约700℃的时间，以及进一步，直到被焊接材料将要被熔化的时间可被估计出。图3是一波形图，其中由焊接期间熔核部分阻抗的变化可推出磁导率的变化。结果，接近焊接电流峰值的阻抗倾斜的变化可被磁导率变化时间检测和确定出。而且，由这一磁导率变化时间推测出的熔化时间和由热传导模拟器4测出的中心部分的熔化时间在比较部分5中相比较，当二者之间没有差别时，模拟器的配置和数值可保持不变。当有一点差别时，模拟器的配置和数值中的至少一个要作修改而使模拟器的输出结果与物理状态(焊接状态)相一致。在这一实施例中，当配置变化时，作为一组成部分的未被包含在热传导模拟器4中的界面电阻被***电极和被焊材料之间的界面。在这种情况下，图4表示变化前热传导模拟器4的基本配置，而图5表示已发生变化后热传导模拟器4的形状。另一方面，当所用的数值变化时，定义被焊材料中焊接电流流动途径的边缘系数(δc/δo)在模拟器中被改变。图7中表示出边缘系数(δc/δo)的数值A、B和C变化和由此由模拟器估计出的熔核直径A、B和C的形成状态的变化。因为热传导模拟器4是根据一实际焊接状况来修正的，所以可以准确估计焊接区域温度增加过程，可以控制焊接条件从而在预定的时间形成一焊接区并具有足够大直径的熔核。尽管在这一实施例中，被控制的焊接条件是焊接电流，但其它的任何焊接条件，即，电极焊接压力和焊接时间中的至少一个可被改变。

在这一实施例中虽然热传导模拟器的配置形状和数值中至少之一是根据物理状态(焊接状态)的形成状态而被改变的，所述的物理状态是依据对被焊接材料在磁导率方面变化的检测获得的，但可利用与该实施例相同的方式使用焊接现象伴随的其他任何物理状态。即，被焊接材料的焊接区域形成理想的熔化直径(熔核直径)的时间可由焊接电极的焊接压力和电极的移动量来估计出。此外，如果在焊接期间已检测出有粉尘形成，就可确定中心区域的温度已达到熔化温度，或者焊接区域的变化过程也可通过焊接过程中产生的焊接声音而估计出，而且，焊接区域的温度可从被焊材料的表面温度预测出，或者焊接区域的形成时间可根据焊接区域的磁性检测由对焊接区域的磁性转变点(居里温度)的检测而预测出。进一步，如果在焊接区域施加超声波，就能检测到焊接区域的形成时间。以这样一种方式，由焊接状态伴随的其它物理监测值可以以相同的方式被用于热传导模拟器。

如上所述，按照本发明的电阻焊机控制焊接条件的方法，在焊接期间可用一般的特性监测熔核的形成状态，焊接条件能随着所监测到的状态而改变，从而可准确地形成一预定的熔核直径。此外，既使因焊接电极的消耗或类似情况而引起外部因素的改变，但一可探测到的实际情况被用作表示焊接状态的监测值，且将焊接区域监测熔核形成状态的热传导模拟器的计算结果与上述提到的监测器值相比较，因而通过改进热传导模拟器的配置，或者校正热传导模拟器使用的数值，总是能得到一高准确度的热传导模拟器。所以，本发明提供一种获得准确和高质量最终焊接的优异的焊接效果的方法。

Claims (11)

1.一种控制电阻焊机焊接条件的方法，包括下列步骤：

检测焊接电流和头对头电压；

依据对这两个检测值的热传导计算，用热传导模拟器进行焊接区域的模拟；

估算焊接期间在所述焊接区域表示熔核形成状态的状态量；

在估算时将所述状态量与一参考状态量相比较；

依据比较结果校正焊接条件；且

在焊接开始后，依据表示焊接状态的监测值修正所述热传导模拟器的配置和数值中的至少一个，以便使所述状态量与所述参考状态量相一致。

2.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，所述热传导模拟器的配置是通过***一界面电阻而修正的，所述热传导模拟器的数字值是通过改变边缘系数而修正的。

3.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，在焊接开始后所述焊接区域材料的磁导率的变化被检测，所述磁导率变化时间被用作表示焊接状态的所述监测器值。

4.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，焊接开始后，焊接电极的焊接压力和电极位移中的至少一个被检测，该值被用作表示焊接状态的所述监测器值。

5.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，检测焊接开始后粉尘的形成时间，该检测到的时间被用作表示焊接状态的所述监测器值。

6.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，焊接开始后，检测在所述焊接区域形成的焊接声音，所述焊接声音的变化被用作表示焊接状态的所述监测器值。

7.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，焊接开始后，检测靠近所述焊接区域的表面温度，所述表面温度的变化被用作表示焊接状态的所述监测器值。

8.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，将用于检查目的的磁通被发射到所述焊接区域，以检测穿透所述焊接区域的所述磁通量，所述焊接区域的部分或整体达到磁转变温度的时间被用作表示焊接状态的所述监测器值。

9.按照权利要求1所述的控制电阻焊机焊接条件的方法，其特征在于，在被焊接材料上施加超声波，从所述超声波的转变特性检测到的所述焊接区域的工作状态被用作表示焊接状态的所述监测器值。

10.使用一热传导模拟器来控制电阻焊机焊接条件的方法，所述热传导模拟器根据由检测到的焊接电流和头对头电压的值进行的热传导计算对焊接区域进行模拟，所述方法包括下列步骤：

焊接期间在所述焊接区域通过所述热传导模拟器估测表示熔核形成状态的状态量；

在估测时间将所述状态量与一参考状态量相比较，所述参考状态是根据表示焊接状态的监测器值而被确定的；以及

根据比较结果，校正焊接条件，同时改进所述热传导模拟器的配置和数值中的至少一个，以便使所述状态量与所述参考状态量相一致。

11.一种使用一热传导模拟器来控制电阻焊机焊接条件的装置，所述热传导模拟器根据检测到的焊接电流和头对头电压值进行的热传导计算进行焊接区域的模拟，所述装置包括：

焊接期间由所述热传导模拟器在所述焊接区域推测表示熔核形成状态的状态量的装置；

在估测时间将所述的状态量与一参考状态量进行比较的装置，所述参考状态是根据表示焊接状态的监测器值来被确定的；

依据比较结果校正焊接条件的装置；以及

依据比较结果改进所述热传导模拟器的配置或数值中的至少一个的装置，以便使得所述状态量与所述参考状态量相一致。

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