基于代表性参数监测GMAW脉冲中接触末端的寿命的方法

技术领域

本发明涉及用于焊炬的接触末端，并且更具体地讲，涉及使用非恒定电压 脉冲波形来监测并且评估GMAW脉冲(气体保护金属极弧焊)应用中接触末端 的性能的方法。

背景技术

在涉及机器人和自动化GMAW制造应用的领域中已知，在维护期间或者当 操作者观察到制造工件上不可接受的焊接缺陷时通常在轮班间隙更换作为消耗 品的焊炬接触末端。如果在轮班期间需要更换接触末端，则必须关停整个焊接 线或焊接单元，这导致制造延迟并且增加工厂成本。

判断何时更换接触末端是个主观过程。某些操作者可以通过(接受)一些 具有焊接缺陷的工件，然而其他操作者不太能容忍缺陷，从而随着时间推移会 消耗更多的接触末端并且导致更多关停。另外，通常当操作者确定需要更换接 触末端时，焊接缺陷已经开始产生，因此意味着一些工件可能因为质量原因而 不得不修复或报废。

从历史上讲，在过去50年的恒压(CV)焊接应用中，已经发现两个主要 的接触末端失效机制。第一种失效机制是接触末端的大孔(称之为“键孔”) 前端处的过度磨损。第二种失效机制是由于阻塞、拥挤，或是接触末端内过大 的进给力而导致突然停止电极焊丝的进给，从而引起焊弧回烧至接触末端(称 之为“回烧”)。

在过去十年，新的GMAW焊接工艺，尤其是脉冲焊接的应用，已经引入新 的接触末端失效机制。脉冲焊接的高频和高峰电流使接触末端的工作条件比在 CV焊接中更为严苛。例如，在脉冲焊接应用中，0.9mm(0.035英寸)的实心 电极丝通常以400安培的峰电流进行焊接，然而在恒压应用中，典型的焊接电 流仅约170安培至220安培。由于电流翻倍，通过接触末端传递到电极丝接口 的能量或功率翻四倍。另外，在脉冲焊接中，焊接电流在0.15毫秒至0.30毫 秒内从基底电流(100安培)变化到峰电流(400安培)，这与每秒1至2兆 安培的速率对应。高焊接电流和剧烈的电流斜坡在接触末端上造成显著的弧侵 蚀，因此使接触末端恶化。脉冲焊接应用通常设置高的焊接速度，并且因此要 求精确地输送焊接电流波形到弧。因而，接触末端的恒定性能比在CV焊接中 更加关键。接触末端的使用寿命在脉冲应用中比在CV应用中明显更短。很可 能不得不在轮班期间更换接触末端，并且知道何时更换接触末端对于防止焊接 缺陷并且使生产费用最小化是重要的。

机器人和自动化焊接应用中的常规控制系统将命令(期望)焊接电流和电 压与实际的测量数据进行比较。当命令值与测量数据之间的差值比某一预定阈 值大时，系统将认为焊接不合规并且请求采取立即行动，例如关停生产线。然 而，不存在对GMAW脉冲应用中的接触末端的使用寿命进行评估以便在发生焊 接缺陷之前输出警报或其他信号使得可以在失效之前更换接触末端的监测方 法。另外，已知的监测方法无法充分考虑噪声因素，例如，弧启动、弧停止和 制造误差，比如零件的尺寸变化。因此，需要在GMAW脉冲应用中实时监测并 评估接触末端恶化，使得可以在发生焊接缺陷之前或者至少以可管理的方式更 换接触末端以便使焊接缺陷和接触末端更换保持在最低限度。

在现有技术中，Yukimitsu(美国专利第1,293,088号)使用弧放电期间 的平均电流来表示接触末端的磨损。该方法基于短路焊接(也称为“短弧” GMAW)，这是恒压(CV)焊接中的一种金属转移方式。Kitagawa(JP 2000- 24779)考虑焊接电流的周期性变化来解释接触末端的恶化。这些周期性变化 是由电极丝掉渣或脱落物以及接触末端内焊丝的接触力和位置的周期性变化引 起的。Yukimitsu和Kitagawa都是根据恒压(CV)焊接，并且因此没有考虑脉 冲应用中接触末端的新的失效机制以及脉冲焊接控制的多功能性。

发明内容

本发明提供了一种对使用GMAW脉冲应用的机器人或自动化制造过程中的 接触末端的使用寿命进行监测并评估的方法。在例如GMAW脉冲的非CV应用 中，焊接电流和电压以受控的频率、斜坡速率等(共同限定波形)在峰值与基 值之间周期性地变化。本方法利用脉冲频率降低、基底长度增加和/或与输送 到焊接熔池的电极短路对应的异常低压的发生增加来评估接触末端的恶化。对 接触末端恶化进行评估允许操作者主动而非被动更换恶化的接触末端。

更具体地讲，根据本发明对焊炬的接触末端使用寿命进行监测和评估的方 法包括通过所述接触末端施加脉冲焊接波形以进行焊接。对一系列重复的焊接 测量焊接电流和电压。存储获得的焊接数据。去除与弧启动和弧停止对应的存 储数据。基于以下一项或多项评估所述接触末端的恶化：(i)峰值频率下 降；(ii)基底长度增加；以及(iii)异常低压的发生增加。输出作为接触 末端寿命数据的评估。

可以对生产环境中的一系列重复的代表性焊接进行测量。所述代表性焊接 可以大于3秒。所述接触末端寿命数据可以连续提供给操作者或控制器。

任选地，当接触末端寿命数据到达阈值时，发出警报，显示警告信息，计 划更换接触末端，和/或触发自动更换接触末端。

结合附图，从本发明的以下详细描述可以更加全面地理解本发明的这些和 其他特征和优点。

附图说明

图中：

图1是机器人焊接制造单元的示意图；

图2是脉冲波形及其自适应机制的示意图；

图3是从新接触末端和已经使用的接触末端提取的脉冲波形的比较图；

图4是示出了在焊接数据中发生异常低压的曲线图；以及

图5是用于代表性焊接的焊接电流和电压的曲线图，包括弧启动时间和弧 停止时间。

具体实施方式

现在详细参照附图，图1中的数字10总体上表示机器人焊接制造单元。 焊接单元10总体上包括：焊接机器人12，其包括焊炬13，相对于机器人以工 作关系设置的旋转台14，与机器人连接的电源16，与电源16、机器人12和旋 转台14连接的机器人控制器18，以及生产线显示器和控制器(MLDC)20。旋 转台14可以具有两侧，包括：保持例如零件24等的工件的A侧22和保持例 如零件28等的工件的B侧26。在机器人12焊接零件24时，可以通过操作机 器人或人类操作者装载/卸载零件28。

焊接电源16和机器人控制器18可以分开或者可以集成在一个单元中。在 任一情况下，电源16和控制器18提供合适的焊接能量并且控制焊接位置和次 序。MLDC20对单元10中执行的焊接进行监测和控制，这包括管理机器人的焊 接程序、零件移动、夹具接合和安全，并且显示表示单元状态的信息。MLDC 20还协调具有多于一个焊接单元的整个生产线。

自动化焊接生产线中当前使用的大部分电源是具有集成数据记录系统的数 字电源，这种数字电源允许实时采集焊接参数，包括焊接电流、焊接电压、送 丝速度等。在本发明中，由电源16或机器人控制器18或例如MLDC 20的独立 设备采集并处理焊接电流和焊接电压，使得可以计算并随后在MLDC上显示数 字值。

焊炬13配备有接触末端，可消耗的电极丝在机器人12焊接工件时通过接 触末端。接触末端自身是易耗品并且必须周期性更换以维持可接受的焊接质 量。知道何时更换接触末端对于防止焊接缺陷并且使生产费用最小化是重要 的。本发明提供了一种对焊接工作单元10中的焊炬接触末端的使用寿命进行 监测并评估的方法。

图2示意性地示出了脉冲波形。脉冲波形包括在峰(高值)与基底(低 值)之间周期性变化的一系列电流21和电压23。理想的是，一个脉冲循环提 供足够的能量来熔化一滴电极丝，并且使其转移到液态焊接熔池。不同的焊丝 (材料和尺寸)使用不同的波形参数(峰值、基值、频率、斜坡速度等)。然 而，由于电磁场的动态特性、等离子弧以及焊丝、零件的变化等，电源动态调 节脉冲波形以维持平稳的弧。这种调节机制(被称为“自适应”机制)通常包 括：(a)调节基底25的长度；(b)调节峰27的大小；以及(c)调节基底 29的大小。(a)项目前是最常用的机制。

例如，当接触末端恶化时，焊接回路(电路)的电阻会增大，并且脉冲电 源16使用自适应机制(a)来自动增大脉冲波形基底的长度。由于脉冲峰的持 续时间保持不变，所以由此减小了脉冲频率。

图3通过曲线图图示了脉冲频率根据接触末端的使用功能(总的弧开启时 间)而减小。具体地讲，基底32的长度或峰30之间的时间在70分钟弧开启 时间之后比在5分钟弧开启时间之后更大(使用同一个接触末端)，并且在 115分钟弧开启时间之后比在70分钟弧开启时间之后更大。因此，随着接触末 端在使用期间恶化，基底的长度(时间段)增大并且脉冲频率减小。

图4示出了在发生异常低压情况下的波形。波形包括电流35和电压36。 时间标度(图的x轴)以毫秒为单位。在此应用中，电压36的基底设置在22- 27V左右的值处。然而，如果电极丝的前端不知怎的未完全熔化并且在一个脉 冲结束时脱离，则电极就会与焊接熔池接触，并且使整个焊接回路(电路)短 路。这导致电压突然降低到10V以下(异常低压37)，或者低于设定值的 50％。接触末端的恶化增大了发生这种弧缺陷的机会。

图5示出了在代表性焊接形成期间测量的焊接数据，包括电流41、电压 42和平均电流43。时间标度(图的x轴)以秒为单位，并且焊接的“长度” (形成焊接所需的弧开启持续时间)约为5.5秒。焊接数据包括多个脉冲(各 脉冲具有约2至3毫秒的持续时间，如图所示，例如图3)。曲线图表示开始 (“弧启动”)和结束(“弧停止”)时的焊接数据不稳定并且具有特殊波 形。这些已知的变化不代表接触末端的性能。因此，可以在数据处理期间去除 在弧启动(例如，启动后0.25秒)和弧停止(例如，停止前0.2秒)期间获 得的焊接数据。

为了使焊炬13在零件24上进行焊接，通过焊炬在电极丝上施加脉冲波 形。在焊炬13工作时，测量瞬时焊接电流和电压以获得焊接数据，例如图5 所示。数据采集频率应当足够高以区分波形数据的细节(其中各脉冲具有毫秒 级的持续时间)，例如，在每秒约20,000次(Hz)查询的范围内。另外，可 以对生产环境中的零件的一系列重复的代表性焊接采集焊接数据。这是因为在 零件上焊接的类型和位置会影响焊接电流/电压的事实。因此，当在零件上进 行各种焊接时，可以观察到不是由接触末端磨损造成的焊接电流/电压的变 化。仅对不同零件的代表性焊接测量焊接电流/电压从测量的数据消除了这种 噪声。优选的是，代表性焊接是经过大于3秒弧开启时间来完成的焊接(即， 焊接的“长度”大于3秒)。

在去除与弧启动和弧停止对应的焊接数据之后，测量各代表性焊接的脉冲 频率、基底长度以及异常低压的发生并取平均值。例如，焊接单元可以制造要 求5次焊接(5个接点)的零件，并且第3次焊接可以选择作为代表性焊接。 在安装新接触末端之后，从焊接数据计算得到的用于制造的第一零件的平均脉 冲频率和异常低压的发生率。在这种情况下，第一零件的平均脉冲频率是 210Hz，异常低压的发生率是0。对于第二零件，数据计算为208Hz，并且发生 2次异常低压，并且对每个后续的零件重复进行这种计算。对于第400个零 件，计算的值分别是是185Hz和50次，这与对应于接触末端更换需求的接触 末端恶化的阈值一致。

这些参数的评估可以转换成指数(例如，1至0的大小，其中，1表示新 的接触末端，小于1的值表示接触末端磨损的程度)，该指数可以作为接触末 端寿命数据由MLDC 20输出。

可以监测接触末端寿命数据的值以便确定接触末端何时接近或已超过其使 用寿命。因此，在接触末端失效或者接触末端形成不可接受的焊接之前可以提 前计划更换接触末端。如果接触末端寿命数据的值超过预定阈值，则可以发出 或显示警告信号，可以停止使用过期的接触末端进行焊接，和/或在恢复焊接 之前可以要求更换接触末端。系统可以命令机器人控制器18移动焊炬13以靠 近用于自动接触末端更换过程的维护设备。

MLDC 20还可以显示接触末端寿命数据的历史记录，这可以帮助人类操作 者判断接触末端寿命数据突然分隔的低值是否是由例如夹具未对准或不合规的 工件尺寸而非接触末端过度恶化的因素造成的。

通过计算并监测接触末端寿命数据的值，根据本发明的方法避免由于接触 末端突然失效和/或工件上不可接受的焊接而意外关停生产线。

虽然已经相关于机器人焊接应用描述了本发明，但是应当理解的是，本发 明也可以应用于在焊炬上施加脉冲波形的手动焊接应用。

尽管已经参照具体实施例描述了本发明，但是应当理解的是，在所述发明 构思的精神和范围内可以进行众多修改。因此，其并非旨在将本发明限于所述 实施例，而是其具有由以下权利要求书的表述所限定的全部范围。