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专利名称：电阻焊及粘合焊的在线焊缝质量检查和补焊方法
技术领域：
本发明涉及焊接工艺。
背景技术：
电阻焊是一种公知的技术，其中电流在两个电极之间流过。通常由金属件 构成的被焊工件放置在电极之间，对所述电极施加夹紧力，流经电极之间的电 流通虹件。当电流S31X件时，工件内部和工件之间的电阻会产生足够的热 量来局部地熔化工件。对工件的熔化部分进行冷却，从而在工件之间产生焊接 接头。
点焊是一种公知类型的电阻焊工艺。它通常包括两个相互接近的、大致圆 形的铜电极，电极之间具有工件可插入其中的缝隙。当施加电流时，圆形电极 在工件上产生圆形焊接区域。最普遍的应用是沿着法兰部位采用一系列点焊来 连接工件。
其它类型的电阻焊或它们的组合也是公知的。粘合焊(weld-bonding)是一禾中 将电阻焊与结构粘合齐湘结合以将一个构件互补式地粘结到另一个构件上的技 术。凸焊是另一种技术，其至少在开始时利用一个突出部位来在工件之间通电 流，从而产生精确的焊接形状并M^焊接温度对工件上远离焊缝的其余部位的 影响。电阻缝焊是本领域公知的方法，其被应用于待连接工件的区域部位上。
焊接接头^^或其承受应力的能力是一个受多种因素影响的特征。两个工 件的焊接接头处承受的应力可以表现为多种形式，包括轴向应力、切应力、扭 转应力和弯曲力矩。应力应变关系以及对已知形状和材料特性的工件带来的可 预知的失效是本领域公知的。影响焊接接头强度的因素包括焊缝皿、焊缝间距、焊缝质量，以及诸如材料的组成和厚度的工件特征。焊缝沿焊接接头的合 理位置和特性可采用建模或其它足以准确预测工件在受到应力之后的反应的方 法通过实验、经验、预测来确定。然而，焊接工艺的变化会引起焊缝位置在不 同组的工件之间产生变化。焊缝位置影响施加在工件的力如何转换为应力并导 致焊缝产生应变，从而影响焊缝强度和焊缝质量。因此，认知焊缝位置的变化 对于确定焊缝强度是很重要的。

发明内容
本发明提供了一种方法，包括监测焊点压痕特征，将监测到的焊点压痕特
征与临界焊点压痕特tet行比较，并且当焊点压痕特征的比较结果显示监观倒 的焊点压痕特征偏离了临界焊点压痕特征时，确认该焊缝是不符合要求的焊缝。


M实施例并参考附图来描述了一个顿多的实施例，其中 图1显示了多个根据本发明的示例性i式样块，并显示了在重叠区的不同位 置的焊点；
图2显示了根据本发明的示例性测试结果的图表，该测试结果显示了在工 件i辦上施加的最大负荷和焊缝相对于重叠区的位置之间的关系-，
图3是根据本发明的位于重叠区中心的示例性焊缝的截面图； 图4是根据本发明的接iE!件边缘的示例性焊缝的截面图； 图5是根据本发明的受接虹件纖的焊缝影响的示例性工件； 图6是根据本发明的受M在工件边缘的焊缝影响的示例性工件； 图7图示了本发明示例性的实验结果，该实验结果显示了焊缝到工件边缘 的距离与焊点压痕以及焊缝到工件边缘的距离与焊缝强度之间的关系；
图8是根据本发明的流程图，显示了禾偶基于焊点压痕厚度的方法来检测 并修复边缘焊缝的示例性辦。
具体实施例方式
现在参看附图，其中附图所示的只是为了示出示例性的实施例，并不对本 发明进行限制，图1显示了根据本发明的具有在不同位置的点焊焊缝的一系列工件。如上所述，制紅艺的改变会导致焊缝位置的改变，从而影响接头强度。 每个样品或试样片都包括两个放置为形成了重叠区的平坦工件。点焊悍缝位于 *重叠区上，从而在工件之间形成接头。试样片A示出了第一种情况，其中
点焊焊缝位于重叠区的中心。试样片B至i辦片E示出了第^f中至隨五种情况， 显示了边缘焊缝或与重叠区的边缘接触的焊缝。所标注的百分比表示在试样上 进行的期望圆形焊缝的焊接区:^重叠区上的百分比。如图所示的焊缝的移动 都是向左的，然而可以理解，如果焊缝与g位于下面工件的中心的右边缘的 虚线相切或者相重叠，可以同样认为该辉缝^ii^焊缝。
进行有效的电阻焊是一种公知技术。焊接工程包括已知的方法、步骤和最 佳实践，它们用来产生合适强度和质量的焊缝。工程力学包括已知的原理，涉 及研究作用在工件上的力、由此而作用在工件上的内应力，以及工件承受的相 关应变和变形情况。材料工程包括已知的原理，涉及材料的强度、熔融金属在 一定环境割牛下以一定速率冷却而形成的金属体的强度，以及被，一起的材 料的兼容性。有关产生合适焊缝的原理与方法是公知的，因此这里不做详细阐 述。基于本发明的目的，假定采用了M的焊接实践，并且应用于所有示例性 实施例的焊缝均M己知的方法产生。
图2示出了根据本发明的具有不同焊缝位置的一系歹赋样片的接头强度数 据的测试结果。实验 ^1过与通过工件的计算机分析模型得到的预测数据 相对照地图示出来。M数据的比较，显示出很大的相关性的趋势，即位于重 叠区的中心部位的点焊焊缝具有最高的强度，随^^焊缝首先切向移动到边缘，
焊謝艘一ifct也^m鹏性下降，随后当如图1所示的i辦片mii缘，焊
缝弓ME稳定地减少。
图3示出了根据本发明的在重叠区中心部位iias电阻焊焊接在一起的两个
工件的截面图。本示例性的实施例中的工件10A和10B是平坦的试样，其主要 部分以相反的方向向外突出。应当理角军，此处介绍的焊接技术和工件可以举出 很多实施例，但是本发明并不限制为这里所示出的实施例。鄉跌说，两个边 缘可以排成一行，且工件10A和10B的主体部分可以在同一方向上延伸。本方 法采用的电阻焊技术具有以下几种类型，包括点焊、粘合焊、电阻缝焊以及凸 焊。很多类型的电阻焊是公知的，每种类型的具体的细节在这里不做阐述。这 里采用的方法可以应用于任何焊接过禾呈，只要两个工件通过将部分区域一起熔化而焊合在一起，从而使工件以可预测的方式变形或产生压痕。本发明不限制 为这里描述的特定的焊接过程。此外，图示了两个工件。然而，可以理解，也
可以将多个工件按照类似于这里所描述的方法放置和连接在一起。电极20A和 电极20B歸例性的工具，其用来传输M3iX件的电流从而产生焊缝。焯缝30 是材料的结合体，其来源于熔合而成单1质的工件10A和10B,该单1质 在冷却后变成工件10A和10B之间的焊缝接头。当电极20A和20B与工件10A 和10B撤虫时，流经工件的电流软化材料，并且施加在电极上的夹紧力与工件 上已软化的材料共同地在每个工件上形成压痕。电极周围的材料的平坦的平面 和所产生的焊缝提供了稳定性，并且保手寺熔融和软化的材料相对于周围工件的 取向不变。
图4示出了根据本发明的在,重叠区边缘M3i电阻焊焊接在一起的两
个工件的截面图。如图3所示，电极20A和20B与工件10A和10B接触。当 电流流经工件时材料软化，从而产生焊纟逢30，此软化材料和施加在电板上的夹 紧力共同在每一个工件上形成压痕。然而，在图3的示例性实施例中，围绕电 极的材料和所产生的焊缝的平坦的平面提供了焊缝的熔融材料的稳定性，使焊 缝熔融材料处于正确位置，而焊缝与电极和工件10A的;ii^的接近则产生了不 稳定性，此处工件的软化，融材料可向外变形而越过边缘。这种变形结果如 图5所示，该图是根据本发明的完成焊接后的工件10A的俯视图。如上所述，
所施加的电流和施加在电敬上的夹紧力的效果以及与工件边缘的接近性导致了 工件材料的不稳定性。图5示出了焊缝30和软化的材料区40怎样产生响应而 通到工件10A的纖处，在此处，工件的材料从固條变为一定程度上接近于 液体的状态，材料被挤出其正常位置而超出工件的边缘。回到图4，由焊缝与边 缘的相接近所弓蹈的工件材料的不稳定性允许材料离开电极，而电极在重叠区 的中心保持在适当的位置。材料的这种移动导致更少的材料保持在电极之间与 所产生的焊缝的周围，从而导致压痕厚度的增加和工件的相应对齐的变形。所 产生的焊缝30变得较弱，实验和计算的结果如图2所示。
图4和图5中的工件10A和10B的示例性实施例邻接或相切于边缘，如图 1中的试样片B。当电极20A和20B以及产生的焊缝30移动超过工件的边缘， 如图l中i辦片C， D， E所示，软化材料和焊缝的熔S虫材料的不稳定性增加。 图6示出了根据本发明的点焊焊缝的示例性实施例，其由设置成部分地离开工件10A的纖的电极得到。如图4和图5所示的示例性实施例，方爐在电t颇 之间并通过电流焊接在一起的工件10A上的材料娜并延伸BilI件10A的原 ^ii^。工件10A和10B上的材料熔融在一起形成焊缝30。然而，在本示例性 实施例中，工件10A上的一部分原始材料离开焊缝区域并作为非功能性的焊接 残繊50脱落，或在焊接过程中剥离。本领域技术人员可知，与图3和图4所 示的焊缝相比较，焊缝30面积的减少和作为非功能焊J努戋繊50而脱落或剥 离的大量材料降低了所产生的焊缝接头的强度。当该电极的对齐线进一步离开 工件的边缘，焊缝 艘将进一步陶氏，并且焊缝30的质量也降低。图7示出了根据本发明的示例性的实验结果，显示了至ij工件l缘的距离与 焊点压痕和至lj工件边缘的距离与所产生焊缝的强度之间的关系。在该特定的示 例性实验中，到工件纖的距离^131测量电极中心到工件边缘而得到。只要 到工件边缘的距离维持在较小范围内，该范围内软化和熔融的材料保持在稳定的材料平面内，那么焊点压痕和所产生的焊缝 mm保持相对稳定。然而，从示例性数据中的大约8mm处以及更小的到工件，的距离中可以看出，在这一 范围内焊点压痕厚度ffiit升高，且焊缝强度急剧下降。需指出的是，对于所测 试的示例i^f来说，8mm是临界距离，但是这，会作为特定工件和所采用的 焊接工艺的函数而发生变化。此值可以通过检测^#来确定，或通过一些充分 表示所产生的焊缝接头^^的方法来预测。如上所述，电极和所产生焊缝与工 件边缘的接近产生了不稳定性，并降低了所产生焊缝的质量。本图示出了到工 件边缘的距离与焊点压痕和到工件边缘的距离与所产生的焊缝强度之间的很强 的相关性。虽然有证据表明到工件边缘的距离与产生的焊缝强度之间存在很强的相关 性，然而采用焊接工艺所生产出的零件可以是复杂的、较大的和笨重的。零件 的尺寸和取向可能妨碍从焊缝位置到最接近的边缘的测量。同样，如上所述， 焊缝可移动至接近工件的不同的边缘。上述示例性实施例是具有平直边缘的简 单平面，然而，实际应用的工件经常是复杂的，具有曲线或复杂的形状，并且 制造过程中的差异可以造成在许多方向上的移动。不过，移动至接M件边缘 对焊点压痕厚度的影响将保持稳定。本发明公开了一种基于焊点压痕厚度来检 测和修复: 焊缝的方法。尽管上述示例性工艺是点焊，但下面所描述的方法也同样可以很好地应用于不同形状与结构的电阻焊焊缝，并不试图仅仅局限于点焊焊缝。非圆形或更 大几何形状的焊缝可能需要进行多次的压痕厚度测量来应用这里所述的方法。参考图7，如前所述，太大的焊痕厚度值表明所产生的焊缝距离边缘，。 然而，从该图表提供的信息还可以看出，不管至腿缘的距离是多少，焊点压痕 厚度不会低于一个瞎定的水平。在电极上施加产生合适的电阻焊所需的电流和 夹持力将产生至少某一值的焊点压痕厚度。通过比较测得的焊点压痕厚度和最 小的焊点压痕厚度，可以判断焊接过程中是否发生了一些阻止产生适当焊缝的 异常。一旦被评估后，焊缝的整体'&就被用来调整对工件的焊接操作，从而补偿 不正常的焊接读数。焊缝厚度读数或估计值可以实时地获得，使得特定焊接工 作站进行调整和限制工作站内的任何行为，或减小对制造过程的下游工作站的 影响。举例来说，构建一个与将电极配置在工件上的设备成一体的焊缝厚度传感器，使得产生焊缝之后立即得至i脾缝厚度的测量值。焊缝厚度传感器M:信 号连接到焊接工作站上。备选地，焊缝厚度可以Mi&踪电极的移动来评估， 或基于电极的移动来推断焊接厚度。备选地，焊缝厚度的实时，使得能够计 算由I ^的焊接厚自由t 的时间进行的一次微分；微分值即dJ/dt g^尔 焊缝厚度的瞬时变化。将焊缝厚度的瞬时变化的测量值与预计的结果相比较， 如果电极产生压痕的，太快^ic慢，在焊接过程中可以采取措 改变焊机 参数，或中止焊接进行修复步骤。本领域技术人员可知，任何相似的测量压痕 或电极移动的方法均可用来评估焊缝，这些方法例如为对dl/dt的积分作为一定 时间内压痕的测量值，或焊缝厚度对时间的二次微分。这样，焊缝厚度或焊点 压痕特征的指示可以被，并用来诊断焊缝的整体性。为了监测和处理通^±述方法收集到的焊缝厚度 ，示例性的焊接工作 站包括 处理计算机、图形用户界面和育,储存大量工件的临界焊点压痕特 征值的非易失性存i诸器。焊接工作站可操作地通过{言号连接到电阻焊控制站， 从而接收从传感器、译码器或其他焊缝厚度检测装置传来的厚度織，并能够 通过焊枪电极配置设备来控制焊枪的移动。焊接工作站处理器具有可执行软件 来编译和处理从焊缝厚度观懂體处获得的悍缝厚度数据，并比I5M监测的焊 缝厚度值与所储存的临界焊缝厚度数据值。图8示出了根据本发明的工艺流程100，其中使用示例性方法根据焊点压痕10厚度来检测并修复边缘焊缝。在步骤102中， 一套工件在制itil程中被排列， 并在这些工件上进行电阻焊。在步骤104中，测量焊点压痕厚度，在步骤106 中，将测量得到的焊点压痕厚度与临界焊点压痕厚度进行比较。如果测量的焊 点压痕厚度值不大于临界焊点压痕厚度值，那么如上上述的焊点压痕厚度与到工件边缘的距离以及与所产生的焊缝强度的关系表明，焊缝距边缘并不是;Ua，则工艺流程转向步骤108。如果观懂得到的焊点压痕厚度大于临界焊点压痕厚度 值，那么上述关系表明生产體导致了所进行的焊接操作距离工件的纖规， 以至于进行了低质量的焊接操作，贝U工艺流程必须瑕瞎到步骤110来决定进行 限制或修复动作。步骤no调整焊枪至新的位置并测量工件的厚度，其中该焊 枪包含所需的电极和观懂工件厚度所用的仪器。工件和电极位置的监澳!)和移动 的控制可以通常的方式来设置，可以包括基于工具或工件的坐标系统的校准， 可以S3i电子伺服电动机(例如伺服枪)的编码器或其他位置检测方法如LVDT (差动^ffi位移传感器)和激光所控制的焊接设备的移动来控制，^M过其他方 式，择移动的方向。在步骤U2，关于焊,动和在步骤110所测得的工件厚 度的信息被用来确定或估计当前焊枪的位置。在步骤U4，确定焊枪当前是否处 于进行补焊的位置。如果确定焊枪处于适当的位置，工艺流程则被重新初始化 到步骤102。如果确定焊枪处于不适当的位置，则步骤116进行一些动作以找到 进行补焊的合适位置，或该焊缝位置被瑕啦，并进行一些限制动作来确保下一 焊缝的质量。步骤116的动作可以包括移动焊枪，其ffl51与先IIPS步骤110所 述的移动的逻辑运算类似的逻辑运算^iS行，或者采用一种整体的算法来确定 适当的限制动作。，'j来说，安全系数可应用于工件的程序化焊接过程中，其 中如果在制造过程中发生一个故障，工件仍被视为可接受的且无需进行修复操 作。可选择的是，具有失效焊缝的工件被标记并使其在焊接过程中经历单独的 修复循环，对其进行标记和识别以用于进行离线的单独检测和修复，或其它的 限制动作。M31步骤106中的焊点压痕厚度比较后，可以认定工件合格，或者 如工艺流程100所示，在步骤108得到认定，即此焊缝位置具有至少最小的焊 点压痕厚度来表明在该位置上己经进行了正常的焊接。如上所述，测量的焊点 压痕厚度与最小焊点压痕厚度的比较，可确定是否存在妨碍形成适当焊缝的条 件。如果观懂的焊点压痕厚度小于最小焊点压痕厚度，焊缝将被认为是不合格， 并在步骤118，焊接工艺变量例如焊接时间和施加的电流被调整，且工艺流程被重新初始化至步骤102。可选地，可跳转到步骤118，通过步骤108的比较而认定的失效能启动如步骤116所述的其它限制动作，或者施加其他限制手段。如果在步骤108中观时寻的焊点压痕厚度大于最小焊点压痕厚度，焊缝被认为是可接受的，则该工艺流程重新初始化到步骤102以进行下一点的焊接。临界焊点压痕厚度和最小焊点压痕厚度是在不同的应用过程中会发生改变的数值，并且可采用建模或其它可准确预观y产生的焊缝接头强度的方法通过实 验、经验、预测来确定。本发明公开了一些，的实施例及其改迸。在阅读并理解说明书后可以对 其进行进一步的舰或修改。因此，本发明没有被限制为某些作为实施本发明 的最优的特定实施例，但是本发明包括所有包含^ff附权利要求之内的实施例。
权利要求
1、一种在焊接工艺中诊断焊缝完整性的方法，包括监测焊点压痕特征；将该监测到的焊点压痕特征与临界焊点压痕特征比较；以及当焊点压痕特征的比较结果显示该监测到的焊点压痕特征不同于临界焊点压痕特征时，确认该焊缝为异�：阜�。
2、 根据^5l利要求1戶万述的方法，其4寺征在于，监测焊点压痕特征包括追踪 焊接电极的移动。
3、 根据权利要求1戶万述的方法，其年寺征在于，所述焊接工艺包括电阻焊工 艺；其中所述监测的焊点压痕特征是焊点压痕厚度。
4、 根据权利要求3所述的方法，其年寺征在于，所述焊点压痕厚度根据焊接 电极的移动来确定。
5、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述焊点压痕厚度由焊接工艺确定。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所鹏测的焊点压痕特征是 焊缝厚度的瞬时变化。
7、 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述焊接厚度的瞬时变化是焊点压痕深度相对焊接电极移动的时间所进行的一次微^H十算而得到。
8、 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述焊接电极的移动是根据 对焊缝厚度的瞬时变化的积分来确定的。
9、 根据^5l利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接工艺包括粘^^焊工艺。
10、 根据丰又利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接工艺包括电阻缝 焊工艺。
11、 根据禾又利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接工艺包括凸焊工艺。
12、 一禾中在电阻焊工艺中诊断焊缝完整性并进行补焊的方法，包括 监测焊点压痕特征，包括在电阻焊工艺的过程中沿工ft^体地超宗焊接电极的移动；将监测至啲焊点压痕特征与临界焊点压痕特tea行比较；当焊点压痕特征的比较结果显示所监测到的焊点压痕特征不同于临界焊点 压痕特征时，确认该焊缝为异�：阜欤桓�据确认的结果，将焊接电极移动到工件上的备选位置；以及 进4亍补焊工艺。
13、 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所M测至啲焊点压痕特 征是焊点压痕厚度。
14、 根据^l利要求12所述的方法，其特征在于，所皿测到的焊点压痕特 征是焊缝厚度的瞬时变化。
15、 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述将焊接电极移动至工件上的备选位置包括调整焊接电极的位置；根据工件的厚度确认焊接电极的位置；以及 确认该焊接电极位于正确的补焊位置。
16、 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述焊接电极根据基于工 件几何形状的坐标系统而移动至工件上的备选位置。
17、 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述焊接电极根据基于工具限制条件的坐标系统而移动至工件上的备选位置。
18、 一种在电阻焊工艺中诊断焊缝完整性的设备，包括Mii调配设备而gea在工件上的电阻焊电极；整体安装在调配设备上以对焊点压痕特 行实时监观啲传離；禾口 焊接工作站，其具有处理器并禾歸化设置为育,实时itt测焊点压痕特征， 将所监观倒的焊点压痕特征与存储的临界焊点压痕特征进行比较，以及当焊点 压痕特征的比较结果显示监观倒的焊点压痕特征不同于临界焊点压痕特征时确 认该焊纟逢为异常'焊缝。
19、 根据才又利要求18所述的设备，其特征在于，所述传/i^焊接后立即 实时;ttt测焊点压痕厚度。
20、 根据l又利要求18所述的设备，其特征在于，所述传感M焊接后ffi31探测工件来监测焊点压痕厚度。
21、 根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述传繊实时iM测焊纟逢厚度的瞬时变化。
22、 根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述传感器监测与焊接同时发生的焊缝厚度的瞬时变化。
23、 根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述传感器监测焊接电极的位置。
全文摘要
一种在焊接工艺中诊断焊缝完整性的方法，包括监测焊点压痕特征，将监测到的焊点压痕特征与临界焊点压痕特征进行比较，当焊点压痕特征的比较结果显示监测到的焊点压痕特征不同于临界焊点压痕特征时，确认该焊缝为异�：阜�。
文档编号G01M99/00GK101566546SQ20081024638
公开日2009年10月28日 申请日期2008年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者G·陈, P-C王, S·A·梅林, X·赖, Y·张, Z·林 申请人:通用汽车环球科技运作公司