一种等离子与MIG复合点焊方法及其装置与流程

本发明属于焊接技术领域，涉及一种等离子与MIG(熔化极电弧)复合焊的点焊装置及焊接方法，尤其涉及薄板冲压件焊接加工领域的复合焊点焊装置及焊接方法。

背景技术：

点焊主要用于厚度4mm以下的薄板构件冲压件焊接，特别适合汽车车身和车厢、飞机机身的焊接。例如，汽车白车身是一个复杂的结构件，它由数块薄板冲压件经焊接、铆接、粘接等方法结合而成的。其中点焊是汽车制造中的主要连接工艺方法，在汽车制造业中发挥着不可替代的重要作用，汽车车身点焊的连接质量决定了汽车的整体结构刚度和完整性。

传统点焊工艺主要是电阻点焊，电阻点焊是焊件装配成搭接接头，并压紧在两电极之间，利用电阻热熔化母材金属形成焊点的一种焊接方法，传统的电阻点焊是将置于两电极之间的工件加压，并在焊接处通以电流，利用电流通过工件本身产生的热量来加热来形成局部熔化，断电冷却时，在压力作用下而形成牢固的结构。虽然传统电阻点焊在白车身焊接有着非常重要的地位，但是车身有一些位置，电阻点焊钳不能到达，这个时候就没有办法使用电阻点焊。还有一些零件由于前期冲压模具的原因，冲压后零件之间的间隙过大，单纯的电阻点焊无法压紧，也就没有办法无法施焊。

目前很多微型车不能用电阻点焊的地方，大多采用人工手持MIG(熔化极电弧焊接通常称为熔化极气体保护焊，简称“MIG”焊接。)焊枪进行电弧“点焊”。人工电弧“点焊”时，可以给冲压件之间无法压紧的间隙里填充少量金属使上下板连接。人工“点焊”的工件需要提前在上面的金属板(上板)上打通孔，经过人工对有孔的上板和无孔的下板进行施压，两板贴紧后再进行电弧焊接，因此，所谓的人工“点焊”实际上是在上板的圆孔范围内沿圆孔周长进行的搭接电弧焊。工人在进行电弧“点焊”时，焊接间隙和焊接时间完全是靠工人控制，点焊点的大小、熔深等都不一致，极容易出现缺陷；提前在冲压件上打孔，不仅增加的生产工序，而且增加企业的生产成本；此外，人工电弧“点焊”也很难满足汽车生产的自动化节拍要求，经常出现漏焊、焊坏等缺陷，造成工件返修，从而大大增加了时间和成本大大增加。

普通MIG焊接采用金属焊丝作为电极，既熔化极。多数情况焊丝是以一定的方式送进，在焊丝与母材之间形成电弧进行焊接；有时由于保护气成分的不同又可分为惰性气体保护焊、C02气体保护焊、混合气体保护焊。MIG焊接虽然应用广泛，但是MIG焊接时的熔滴过渡不稳定，飞溅量较大，焊接时操作环境有很大的烟尘。焊接的稳定过渡的滴状过渡、喷射过渡、亚射流过渡和短路过渡等工艺区间较窄。

等离子弧焊PAW是利用高温等离子弧作为热源的焊接方法。气体在电场的作用下被电离，电离气体在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和温度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩气。根据各种工件的材料性质，也有使用氦或氩氦、氩氢等混合气体的。等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高，但是相比MIG焊接，其焊接效率较低。

为了提高冲压模具设计质量和加工质量是所有汽车制造工艺的追求目标，但是，因为前期模具质量问题导致冲压后一些零件之间间隙过大、间隙值不一致的现象仍然存在，尤其在微型汽车制造过程中比较普遍。为了既提高焊接质量、减少焊接飞溅，同时又具有高的焊接效率，已经有了一些新的复合焊接技术得到了应用。例如，使用激光与MIG复合的焊接方法(专利公开号：CN 1806995A,一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法)，又例如，使用等离子与MIG复合的焊接方法(专利公开号：201720112649.1,一种双热源复合焊炬及焊接方法)等。但上述方法不能在冲压零件之间具有一定间隙的情况下，完成高效和有效的搭接焊和对焊。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种等离子与MIG复合焊接技术，以解决上述背景技术中提出的问题。该技术是一种既具有较高能量密度、又具有更好的搭桥能力(在一定间隙先完成有效焊接)的焊接工艺，即将高能量密度的等离子弧与熔化极电弧复合的焊接方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种等离子与熔化极电弧(MIG)复合焊的点焊装置及焊接方法，所述方法包括以下步骤：

1)测距，将需要焊接的冲压工件的上板与下板对接，通过测距工具检测出冲压工件上下板之间的间隙；

2)压紧，所述冲压工件的上板与下板之间的间隙大于系统设定值，进行压紧动作，将冲压工件的上板与下板之间的间隙压紧至系统设定值；所述冲压工件的上板与下板之间的间隙小于等于系统设定值，直接进入焊接步骤；

3)复合焊接，等离子工作电弧启动，短时间内在冲压工件的上板建立一个熔融穿透的小孔，随后，MIG起弧，电弧产生的熔化金属迅速通过冲压工件的上板小孔进入两板之间的间隙达到冲压工件的下板并熔化进焊接填充。

通过复合焊接技术，可实现由MIG焊料通过由等离子电弧制造的小孔的方式将上下两板连接在一起。这种焊接方法与常规MIG相比，具有焊接熔深大、焊缝质量高、焊接热输入低、焊接飞溅小、焊接效率高等特点，焊接效率可以提高一倍以上。

进一步的，所述复合焊接过程焊接时间小于2s。

进一步的，在压紧过程中，所述测距步骤保持实时测量状态，系统进行实时计算。测距步骤保持实时测量状态有助于提高测量值的准确性。

本发明还提供了一种一体化复合点焊装置，所述装置包括复合焊炬1、气动压紧装置3和激光间隙检测机构4，所述气动压紧装置3分别于复合焊炬1、激光间隙检测机构4固定连接，所述复合焊炬1设置于气动压紧装置3的机头壳体里，所述激光间隙检测机构4设置于气动压紧装置3的上部和一侧。

所述激光间隙检测机构4用于检测冲压工件的上板和下板的位置并将数据回传至系统，系统将位置数据分析后形成间隙数据，然后发出压紧命令控制气动压紧装置3消除或减少冲压工件的上板和下板之间的间隙；

所述气动压紧装置3用于消除或减少冲压工件的上板和下板之间的间隙；

所述复合焊炬1用于在熔融穿透冲压工件的上板，形成小孔，并将熔化金属迅速通过小孔进入冲压工件的上板与冲压工件的下板之间的间隙并焊接填充。

一体化复合点焊装置能够实现自动检测冲压工件之间的间隙，然后消除间隙进行复合点焊工艺；

一体化复合点焊装置的结构紧凑、体积小，很多狭窄的地方都能进行点焊工作，能够在电阻点焊钳不能工作的地方进行点焊，以及车身结构有三层板但只需焊接两层板处进行焊接。

一体化复合点焊装置能从单边施压，自动检测上板与下板之间的间隙，当间隙满足要求后进行自动焊接。与电阻点焊比较，电阻焊的两个电极要分别处于被焊工件两层钢板的内外侧并可夹紧工件消除间隙，如果两层钢板之间的间隙依然存在，则无法进行点焊焊接；如果电阻点焊枪的任一端电极无法达到施焊部位的外侧或内侧，则表明无法进行焊接。

其他焊接技术的间隙要求：电阻点焊间隙必须为零，否则无法导电，激光点焊最大间隙为0.1毫米，气体保护焊由工人现场消除间隙后施焊，因此，目前复合点焊能够施焊的间隙值可为被焊板厚度是激光和电阻点焊无法做到的。焊接效率大大高于人工焊接。

进一步的，所述激光间隙检测机构4包括激光测距传感器1 20和激光测距传感器2 21，所述激光测距传感器1设置于激光间隙检测机构壳体一侧，所述激光测距传感器2设置于激光间隙检测机构壳体上部。

当一体化焊枪移动到待焊点上方后，激光测距传感器开始检测待焊接上板和下板的位置并将数据回传至系统，系统将位置数据分析后形成上下板间隙数据，然后发出压紧命令控制气缸推动压机头作用在上板用以消除或减少两板之间的间隙。

进一步的，气动压紧装置3包括压紧气缸2，防碰撞传感器7，夹具8，压紧机构主体结构体14，压紧头15，压紧缓冲垫16，液压缓冲器17，压紧头位置传感器1 18，压紧头位置传感器2 19；所述压紧气缸2包括气缸本体9，气缸活塞10，气缸滑块11，电子限位(上位)12，电子限位(下位)13，所述气缸滑块11通过气缸活塞10与气缸本体9滑动连接，所述电子限位(上位)12，电子限位(下位)13位于气缸本体9一侧，并滑动连接；所述防碰撞传感器7与夹具8活动连接；所述压紧头位置传感器1 18，压紧头位置传感器2 19位于压紧机构主体结构体14内部，所述压紧机构主体结构体14，压紧头15，压紧缓冲垫16，液压缓冲器17依次固定连接。

当系统完成上下板间隙测量并确定间隙值后，由压紧气缸推动与机构体固定在一起的复合焊枪和机头向下板压紧，直至达到焊接允许间隙值；通过调整压紧气缸进气压力可以实现不同的压紧力，针对不同的板厚和不同的位置都可以灵活调节，满足不同的需求。

进一步的，所述复合焊炬1包括等离子喷嘴5与MIG导电嘴6，所述等离子喷嘴5与MIG导电嘴6之间具有一定夹角，并具有轴线交汇点。

当系统检测上下板间隙符合焊接要求后，复合焊炬开始焊接，点焊完成后，复合焊炬抬起，一体化焊枪再上升至初始位置。

更进一步的，所述等离子喷嘴5与MIG导电嘴6之间夹角为0～5°。

更进一步的，所述等离子喷嘴5与MIG导电嘴6设置于保护气罩26内。

更进一步的，所述复合焊炬1焊接时，位于工件焊点上方15～25mm处。等离子弧与MIG复合焊接技术的等离子喷嘴与MIG喷嘴在工件上需要保持一定的间距才能实现稳定焊接，当该技术用于点焊时会出现熔透现象。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明具有如下的技术效果：

⑴等离子复合点焊系统能够实现自动检测车身工件之间的间隙，然后消除间隙进行复合点焊。

⑵等离子复合点焊系统点焊质量和焊缝一致性大大优于人工点焊。

⑶等离子复合点焊工艺通过分别调整等离子与MIG的参数能够完成不同板厚之间的点焊。

⑷复合焊接结构通过调整气缸进气压力可以实现不同的压紧力，针对不同的板厚和不同的位置都可以灵活调节，满足不同的需求。

⑸复合点焊机构体积小、重量轻，在实际使用中可达性好，能进入车身内部深处实施焊接，能够在电阻点焊钳不能工作的地方进行点焊，以及车身结构有三层板但只需焊接两层板处进行焊接。

附图说明

图1为本发明的一体化复合点焊装置结构示意图；

图2为本发明的一体化复合点焊装置气动压紧装置结构示意图；

图3为本发明的激光间隙检测机构示意图；

图4为本发明的复合焊炬的结构示意图；

图5为本发明中的等离子与MIG复合点焊方法控制流程。

图中：1、复合焊炬；2、压紧气缸；3、气动压紧装置；4、激光间隙检测机构；5、等离子喷嘴；6、MIG导电嘴；7、防碰撞传感器；8、夹具；9、气缸本体；10、气缸活塞；11、气缸滑块；12、电子限位(上位)；13、电子限位(下位)；14、压紧机构主体结构体；15、压紧头；16、压紧缓冲垫；17、液压缓冲器；18、压紧头位置传感器1；19、压紧头位置传感器2；20、激光测距传感器1；21、激光测距传感器2；22、光路保护进气口；23、光路保护装置；24、激光测距传感器1光路；25、激光测距传感器2光路；26、保护气罩。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1、2、3和4，本发明提供一种技术方案：

一种等离子与熔化极电弧(MIG)复合焊的点焊装置及焊接方法，包括以下步骤：

1)测距，将需要焊接的冲压工件的上板与下板对接，通过测距工具检测出冲压工件上下板之间的间隙；

2)压紧，所述冲压工件的上板与下板之间的间隙大于系统设定值，进行压紧动作，将冲压工件的上板与下板之间的间隙压紧至系统设定值；所述冲压工件的上板与下板之间的间隙小于等于系统设定值，直接进入焊接步骤；

3)复合焊接，等离子工作电弧启动，短时间内在冲压工件的上板建立一个熔融穿透的小孔，随后，MIG起弧，电弧产生的熔化金属迅速通过冲压工件的上板小孔进入两板之间的间隙达到冲压工件的下板并熔化进焊接填充。

通过复合焊接技术，可实现由MIG焊料通过由等离子电弧制造的小孔的方式将上下两板连接在一起。这种焊接方法与常规MIG相比，具有焊接熔深大、焊缝质量高、焊接热输入低、焊接飞溅小、焊接效率高等特点，焊接效率可以提高一倍以上。

具体的，所述复合焊接过程焊接时间为1s。

具体的，在压紧过程中，所述测距步骤保持实时测量状态，系统进行实时计算。测距步骤保持实时测量状态有助于提高测量值的准确性。

本发明还提供了一种一体化复合点焊装置，所述装置包括复合焊炬1、气动压紧装置3和激光间隙检测机构4，所述气动压紧装置3分别于复合焊炬1、激光间隙检测机构4固定连接，所述复合焊炬1设置于气动压紧装置3的机头壳体里，所述激光间隙检测机构4设置于气动压紧装置3的上部和一侧。

所述激光间隙检测机构4用于检测冲压工件的上板和下板的位置并将数据回传至系统，系统将位置数据分析后形成间隙数据，然后发出压紧命令控制气动压紧装置3消除或减少冲压工件的上板和下板之间的间隙；

图3是本发明的激光间隙检测机构示意图。当焊接控制系统收到机器人手臂发出到达指定位置的信号后，继而向激光测距传感器1 20和激光测距传感器2 21输出信号。激光传感器光路1 24和激光传感器光路225开始同时检测工件底板和工件上板的位置，并将检测值输出到系统中进行计算(系统中会预先设定好上板的厚度和允许的间隙值)。系统根据计算出的间隙值自动选择后续压紧和焊接程序来完成后续动作。

所述气动压紧装置3用于消除或减少冲压工件的上板和下板之间的间隙；

所述复合焊炬1用于在熔融穿透冲压工件的上板，形成小孔，并将熔化金属迅速通过小孔进入冲压工件的上板与冲压工件的下板之间的间隙并焊接填充。

一体化复合点焊装置能够实现自动检测冲压工件之间的间隙，然后消除间隙进行复合点焊工艺；

一体化复合点焊装置的结构紧凑、体积小，很多狭窄的地方都能进行点焊工作，能够在电阻点焊钳不能工作的地方进行点焊，以及车身结构有三层板但只需焊接两层板处进行焊接。

一体化复合点焊装置能从单边施压，自动检测上板与下板之间的间隙，当间隙满足要求后进行自动焊接。与电阻点焊比较，电阻焊的两个电极要分别处于被焊工件两层钢板的内外侧并可夹紧工件消除间隙，如果两层钢板之间的间隙依然存在，则无法进行点焊焊接；如果电阻点焊枪的任一端电极无法达到施焊部位的外侧或内侧，则表明无法进行焊接。

其他焊接技术的间隙要求：电阻点焊间隙必须为零，否则无法导电，激光点焊最大间隙为0.1毫米，气体保护焊由工人现场消除间隙后施焊，因此，目前复合点焊能够施焊的间隙值可为被焊板厚度是激光和电阻点焊无法做到的。焊接效率大大高于人工焊接。

具体的，所述激光间隙检测机构4包括激光测距传感器1 20和激光测距传感器2 21，所述激光测距传感器1设置于激光间隙检测机构壳体一侧，所述激光测距传感器2设置于激光间隙检测机构壳体上部。

当一体化焊枪移动到待焊点上方后，激光测距传感器开始检测待焊接上板和下板的位置并将数据回传至系统，系统将位置数据分析后形成上下板间隙数据，然后发出压紧命令控制气缸推动压机头作用在上板用以消除或减少两板之间的间隙。

具体的结构体14，压紧头15，压紧缓冲垫16，液压缓冲器17，压紧头位置传感器1 18，压紧头位置传感器2 19；所述压紧气缸2包括气缸本体9，气缸活塞10，气缸滑块11，电子限位(上位)12，电子限位(下位)13，所述气缸滑块11通过气缸活塞10与气缸本体9滑动连接，所述电子限位(上位)12，电子限位(下位)13位于气缸本体9一侧，并滑动连接；所述防碰撞传感器7与夹具8活动连接；所述压紧头位置传感器1 18，压紧头位置传感器2 19位于压紧机构主体结构体14内部，所述压紧机构主体结构体14，压紧头15，压紧缓冲垫16，液压缓冲器17依次固定连接。

当系统完成上下板间隙测量并确定间隙值后，由压紧气缸推动与机构体固定在一起的复合焊枪和机头向下板压紧，直至达到焊接允许间隙值；通过调整压紧气缸进气压力可以实现不同的压紧力，针对不同的板厚和不同的位置都可以灵活调节，满足不同的需求。

具体的，所述复合焊炬1包括等离子喷嘴5与MIG导电嘴6，所述等离子喷嘴5与MIG导电嘴6之间具有一定夹角，并具有轴线交汇点。

当系统检测上下板间隙符合焊接要求后，复合焊炬开始焊接，点焊完成后，复合焊炬抬起，一体化焊枪再上升至初始位置。

具体的，所述等离子喷嘴5与MIG导电嘴6之间夹角为3°之间。

具体的，所述等离子喷嘴5与MIG导电嘴6设置于保护气罩26内。

具体的，所述复合焊炬1焊接时，位于工件焊点上方15～25mm处。等离子弧与MIG复合焊接技术的等离子喷嘴与MIG喷嘴在工件上需要保持一定的间距才能实现稳定焊接，当该技术用于点焊时会出现熔透现象。

实施例2

工作原理参阅图5，在焊接过程中，机器人手臂机械手将复合点焊枪移动至工件焊点上方15～25mm的位置。机器人手臂移动过程中，压紧气缸2处于最上端位置，当机器人手臂达到指定位置点时，向焊接控制系统输出信号。系统判断两板之间的间隙值后，根据不同的情况进行压紧焊接。

(1)若系统判断两板之间无间隙(差值为0)，或者间隙值小于系统设定值，系统输出指令让压紧气缸2向下运动。压紧气缸2带动气缸本体9向下运动走空行程的时候，压紧头15跟着气缸本体9一起向下运动。当压紧头15接触到工件表面时，压紧头15不再向下运动。此时，压紧气缸2继续向下运动，液压缓冲器17沿缓冲导向柱被压缩，直到压紧头15触发在机构体上的触发开关，具体的触发开关设定为两个，需要两个触发开关同时工作。液压缓冲器17在被压缩的过程中，会吸收部分能量，使焊枪压紧头15向下运动变得更加平稳。当压紧气缸2运动到触发了触发开关时，证明复合点焊枪已经到达焊接位置。当工件间隙值为0或者小于焊接允许间隙值时，系统发出指令让压紧气缸2停止向下运动并保持该状态，并发出具备焊接条件指令给机械手。机械手接到指令后，分别向复合点焊系统和MIG焊机发送焊接指令，从而完成复合点焊过程。

(2)若系统判断两板之间的间隙值大于系统设定值，系统输出指令让压紧气缸2向下运动。压紧头15在接触工件之前，与气缸本体9一起运动。当压紧头15接触到工件上板后，压紧气缸2继续向下运动。此时，工件上板向下运动或者四根液压缓冲器17被压缩，或者两者同时进行。当压紧头15触发了触发开关时，证明复合焊炬已经到达指定位置。若此时系统判定间隙值在系统设定范围内，压紧气缸2停止向下运动并保持该状态，焊枪进行焊接。若此时系统判定间隙值在系统设定范围之外，压紧气缸2将继续向下运动，压紧工件的上板被继续向下压，直到系统检测间隙值达到系统设定范围内，压紧气缸2将停止运动并保持该状态，焊枪进行焊接。

(3)当气缸运行到下限位点仍然没有达到系统设定间隙范围，则系统判定该点压紧失败，并放弃焊接该点。

焊接动作完成后，压紧气缸2在一定时间内继续保持压紧状态。设定时间到达后，系统输出指令让压紧气缸2反向运动。反向运动到最高点，压紧气缸2停止运动并保持该状态，机器人手臂将复合焊枪机构移至下一个焊接点。

为了确保测量值的准确，在整个压紧气缸2向下运动的过程中，激光测距传感器1 20和激光测距传感器2 21保持实时测量状态，系统进行实时计算。压紧气缸2停止运动焊接之前，激光测距传感器1 20和激光测距传感器2 21先行停止检测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。