专利名称：自动焊接的方法
技术领域：
本发明有关于一种自动焊接的方法，特别是一种可以应用于具有三维曲线焊道的金属物件的自动焊接方法。
背景技术：
现今焊接方法广泛应用于各种不同领域，以针对不同的金属物件属性选择较适当的焊接技术，期望于该金属物件表面获得高品质的焊接效果。以自行车产业为例，多数高单价的自行车多使用铝合金制成前叉、车架等结构，且于前叉、车架等结构的焊制过程多需呈现鱼鳞片状的高品质焊道，故导致传统自行车焊接 为求达到高品质的鱼鳞片状焊道，仍然倾向以人工TIG焊接技术行之。但该TIG焊接只能应用于同种金属的接合，且焊接过程常有焊材渗透不均，而造成焊道内夹杂其他金属的情形，还可能因焊接过程的热影响区较宽，而产生焊道外观变形的缺陷；甚至，因该TIG焊接属焊枪与焊材分开的两方操控技术，而增添人工操作上的困难度，多数人工必须经长时间的焊制训练，才能于焊道表面呈现高品质的鱼鳞片状；更因为近年来面对人力资源短缺的危机，焊制技术纷纷朝向自动化发展，然受限于该TIG焊接技术复杂的操作手段，始终无法投入自动化产制，以至于自行车产业于现阶段面临极大的冲击。于此，多数自行车产业业者选择利用不同的焊接技术取代传统人工TIG焊接，以期望通过自动化焊接方法克服人力短缺及上述缺点的同时，可以于焊制过程呈现出高品质的鱼鳞片状焊道。如惰性气体保护金属极电弧焊(metal inert-gas welding,MIG)或冷金属过渡技术(cold metal transfer, CMT)等焊接技术,大多属于焊材置于焊枪内的单方操控手段，故确实可以解决操作不易的问题，成功发展为自动化产线，以克服如上所述人力短缺所造成的产业冲击。然而，该MIG焊接属喷溅电弧移行的焊接制程，焊制后往往容易产生大量喷渣，而造成自行车焊制品质及外观不佳的情形，不仅需耗费更多时间进行喷渣的清理，更无法于焊制后呈现出高品质的鱼鳞片状焊道，严重者更可能因喷溅电弧移行的焊制过程仍需消耗大量的热能，而造成焊道外观产生变形的缺陷，以至于该MIG焊接技术始终无法有效应用于自行车结构的焊接生产制程。此外，该CMT焊接虽可以通过短路电弧移行的方式，于焊制后呈现高品质的鱼鳞片状焊道，但该CMT焊接以往应用于车体底部的简易结构焊接，故不需考虑是否存在有喷渣的问题。如今，若将该CMT焊接技术施用于自行车的复杂三维曲线焊道，依旧容易衍生焊制后大量喷渣的现象，而必须增加额外清除该喷渣的工序，才能够确保焊制后呈现高品质的鱼鳞片状焊道，不至于影响该自行车前叉、车架等结构的外观品质。有鉴于上述缺点，确实有必要发展一种足以自动化焊制的自动焊接方法，以期望应用于具三维曲线焊道的金属物件时，能够解决如上所述的各种问题。
发明内容
本发明的主要目的是改良上述缺点，以提供一种自动焊接的方法，其能够避免焊制后产生喷渣的现象，以呈现出高品质的鱼鳞片状焊道。本发明的次一目的是提供一种自动焊接的方法，能够降低焊制过程的热能消耗，以防止焊道外观产生变形的缺陷。本发明的再一目的是提供一种自动焊接的方法，能够发展为自动化产线，以克服人力短缺所造成的产业冲击。为达到前述发明目的，本发明的自动焊接的方法，包含一前置步骤，将具数个维度曲线焊道的一金属物件置于一载台，及将一焊枪夹持于一焊枪夹持装置；及一接合步骤，使该焊枪的尖端相对该数个维度曲线焊道移动，并通入电流使该焊枪以短路电弧移行的方 式进行焊接，使得该金属物件的数个维度曲线焊道形成鱼鳞片状；其中，该焊枪进行焊接时，该焊枪相对于以该焊枪尖端垂直指向地面为基准所形成的角度介于O 135度，借此避免喷渣情形于焊制过程产生。再且，本发明的自动焊接的方法，还可以包含一前置步骤，将具数个维度曲线焊道的一金属物件置于一载台，及将一焊枪夹持于一焊枪夹持装置；及一接合步骤，操作该焊枪夹持装置，于该焊枪的一转动范围内，使该焊枪的尖端相对该数个维度曲线焊道移动，并通入电流使该焊枪以短路电弧移行的方式进行焊接，使得该金属物件的数个维度曲线焊道形成鱼鳞片状；其中，该转动范围指以该焊枪尖端垂直指向地面为基准，当该焊枪尖端相对该数个维度曲线焊道移动时，该焊枪相对于该基准所形成的角度介于O 135度。此外，本发明的自动焊接的方法，还可以包含一前置步骤，将具数个维度曲线焊道的一金属物件置于一可调式载台，及将一焊枪夹持于一焊枪夹持装置并固定于一架设范围内；及一接合步骤，通过该可调式载台带动该金属物件，使该焊枪的尖端相对该数个维度曲线焊道移动，并通入电流使该焊枪以短路电弧移行的方式对该金属物件进行焊接，使得该金属物件的数个维度曲线焊道形成鱼鳞片状；其中，该架设范围指以该焊枪尖端垂直指向地面为基准，该焊枪相对于该基准所形成的角度介于O 135度。所述短路电弧移行的焊接方法，包含下述步骤先于该焊枪通入电流，使得突出该焊枪的焊线的热能逐渐提升而产生电弧放电，以利用该焊枪送线运动规则，于该焊线前送运动中产生熔滴；待该熔滴与该金属物件欲焊接处接触后，该焊枪瞬间短路而导致电弧消失，此时该焊线尖端产生紧缩效应，以于该焊线回抽运动中，借助回抽时产生的表面张力作用，使该熔滴脱落而于该金属物件的欲焊接处成形；及当该熔滴脱离该焊线后，于该焊线尖端重新加热而再次生成电弧放电，以重新进入新的焊接循环。本发明的自动焊接的方法达到的有益效果在于其能够避免焊制后产生喷渣的现象，以呈现出高品质的鱼鳞片状焊道，使得自行车车架/前叉焊制技术优质化；其能够降低焊制过程的热能消耗，以防止焊道外观产生变形缺陷；其能够发展为自动化产线，以克服人力短缺所造成的产业冲击，从而提升产业自动化焊制。
图I :本发明使用的自动化焊接机台示意图。图2 :本发明的操作流程图。图3 :本发明短路电弧移行的操作示意图。图4a 4d :本发明的局部操作示意图。图5 :本发明另一实施例的操作流程图。图6 :本发明另一实施例的局部操作示意图。图7a_c :本发明焊制后呈现鱼鳞片状的焊道示意图。图8a_b :本发明鱼鳞片状焊道的金相分析示意图。
其中〔本发明〕I焊枪夹持装置、机械手臂2 载台21夹持具22a、22b转轴3焊枪4金属物件S I前置步骤 S2接合步骤SI’前置步骤S2’接合步骤Θ转动范围 α架设范围
具体实施例方式为让本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文特举本发明的较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下请参照图I所示，其为一自动化焊接机台，该自动化焊接机台包含一焊枪夹持装置I及一载台2，该焊枪夹持装置I用以夹持一焊枪3，且该焊枪夹持装置I可以选择为可调式机械手臂或者为固定式机械手臂，但不以此为限；该载台2的表面设有一夹持具21，该夹持具21用以固定欲焊接的一金属物件4，使得该焊枪3可以通过短路电弧移行的方式对该金属物件4进行焊接。此外，该载台2还可以选择设有二转轴22a、22b，以借助该二转轴22a、22b带动该金属物件4，沿该载台2的水平轴或垂直轴方向进行摆动或旋转。其中，本发明所提供的自动化焊接机台，此处仅为粗略说明，以结合下述自动焊接方法时详述之用，而可以选择不同样式配置的该自动化焊接机台作为较佳实施例，且有关该自动化焊接机台的细部结构，为所属该领域具有通常知识者可轻易思及，于此不针对该自动化焊接机台的细部结构详加叙述，更不以此机台为限。本发明自动焊接的方法以上述自动化焊接机台进行操作，该自动焊接的方法包含一前置步骤SI及一接合步骤S2。该前置步骤SI将具数个维度曲线焊道的一金属物件4置于一载台2，及将一焊枪3夹持于一焊枪夹持装置I ;该接合步骤S2将该焊枪3的尖端相对该金属物件4的数个维度曲线焊道移动，并通入电流使该焊枪3以短路电弧移行的方式进行焊接，使得该金属物件4的数个维度曲线焊道形成鱼鳞片状；其中，该焊枪3进行焊接时，该焊枪3相对于以该焊枪3尖端垂直指向地面为基准所形成的角度介于O 135度，借此避免喷渣情形于焊制过程产生。请参照图2所示，其为本发明一较佳实施例，以上述该自动化焊接机台进行操作，该自动焊接的方法包含一前置步骤SI及一接合步骤S2。其中，该自动化焊接机台选择以夹持有一焊枪3的一焊枪夹持装置1，搭配一载台2为例，以应用于具数个维度的曲线焊道的一金属物件4，使得该焊枪3可以通过短路电弧移行的方式对该金属物件4进行焊接。于本实施例中，该焊枪夹持装置I为一可调式机械手臂I，该可调式机械手臂I可带动该焊枪3相对该金属物件4移动及焊接，该金属物件4的数个维度的曲线焊道可为一封闭曲线或者为一曲线段，且该金属物件4的数个维度的曲线焊道可为二维曲线焊道或三维曲线焊道，以下将以具有三维曲线焊道的金属物件4进行说明。请再参照图I及图2所示，该前置步骤SI将具三维曲线焊道的该金属物件4置于该载台2，及将该焊枪3夹持于该可调式机械手臂1，待进行后续的接合步骤S2。本实施例的载台2较佳选择为固定式载台，以借助该载台2表面的夹 持具21稳固限制该金属物件4的放置方式，该金属物件4可以选择呈水平或直立方式固定于该载台2，较佳地，使得该金属物件4的欲焊接处可以朝向该焊枪3的尖端。举例而言，本实施例以自行车的结构组件，如前叉或车架，进行焊制，以期望于该前叉或车架的数个维度的曲线焊道形成高品质的鱼鳞片状。该接合步骤S2操作夹持有该焊枪3的可调式机械手臂1，于该焊枪3的转动范围内，使该焊枪3的尖端相对该三维曲线焊道移动，通入电流使该焊枪3以短路电弧移行的方式进行焊接，使得该金属物件4的三维曲线焊道形成鱼鳞片状。其中，该转动范围指以该焊枪3尖端垂直指向地面为基准(如图3的X轴)，当该焊枪3尖端指向该金属物件4的三维曲线焊道，且相对于该三维曲线焊道移动(焊接)时，该焊枪3相对于该基准所形成的角度介于O 135度之间。更详言之，请一并参考图I及图3，待该金属物件4于该载台2架设完成后，通过该可调式机械手臂I以带动该焊枪3，使得该焊枪3可以从该金属物件4欲焊接处上方，沿该金属物件4的三维曲线焊道移动，该焊枪3于移动的过程中，可向左或向右偏转(此处所揭示的向左或向右偏转以图3所示的平面而言，但该焊枪3的偏转方向不以此为限)，而该焊枪3相对于该基准(X轴)的角度Θ为O 135度，其中，该图3图面所示的Θ即为本实施例所述的转动范围，以于该转动范围内对该金属物件4的三维曲线焊道各部分进行焊接；为求于该金属物件4焊制出具有高品质的鱼鳞片状焊道，较佳选择以短路电弧移行的方式进行焊接，请参照图4a至图4d所示，该短路电弧移行的方式利用输出电流的控制，于该焊枪3尖端通过电弧放电形成熔滴后，关闭电流以于该焊枪3尖端形成短路，使得该熔滴于该焊枪3回抽的过程脱落，借此消除焊制过程可能产生的喷渣情形。举例而言，该短路电弧移行的方式可分为以下步骤，如图4a所示，先于该焊枪3通入80 150安培的电流，使得突出该焊枪3的焊线的热能逐渐提升而产生电弧放电，以利用该焊枪3的送线运动规则，于该焊线前送运动中产生熔滴；如图4b及图4c所示，待该熔滴与该金属物件4欲焊接处接触后，该焊枪3瞬间短路而导致电弧消失，此时该焊线尖端产生紧缩效应，以于该焊线回抽运动中，借助回抽时产生的表面张力作用，使该熔滴脱落而于该金属物件4的欲焊接处成形；如图4c及图4d所示，当该熔滴脱离该焊线后，于该焊线尖端重新加热而再次生成电弧放电，以重新进入新的焊接循环。于此利用该短路电弧移行产生熔滴的过程，该电流的输入几乎为零，以至于该熔滴于该金属物件4欲焊接处成形的入热量也几乎为零，故整个焊制过程属高频率的“热-冷-热”转换型式，进而大幅降低焊制过程所需消耗的热能，还可以避免传统焊制过程所引起的喷渣情形。
其中，该焊线的“前送-回抽”运动频率高达每秒70次，甚至可以通过送线机构的设计及控制，调整该焊线前送及回抽运动的速率，以加快整个焊制过程的操作频率，借此使该熔滴的形成较为细致、均匀及稳定，而可以于该金属物件4的三维曲线焊道上，生成较高品质的鱼鳞片状外观，还达到杜绝喷渣情形产生的有益效果。如图7a_c所示，其为一自行车前叉(a)或车架(b)，以本发明自动焊接的方法焊制该自行车前叉或车架的三维曲线焊道后，该前叉或车架的三维曲线焊道呈现无喷渣的鱼鳞片状外观。由上述得知，通过该短路电弧移行的方式，可以于低电流的状态下，生成熔滴于该金属物件4的欲焊接处，且以极低的入热量防止焊接后，该金属物件4焊道外观产生变形的情形；甚至，借助焊接电流不受送线运动速率影响的特性，可以于该焊线尖端生成稳定的电弧，即使焊制频率增加也不会出现断弧的现象，而具有恒定的熔滴熔融深度，以生成具有一致性的高品质鱼鳞片状焊道。再者，经由该可调式机械手臂I带动该焊枪3于较佳转动范围内的焊制，还可以确保该焊枪3与该金属物件4欲焊接处的相对位置，以稳定该焊枪3的送线运动，使得该焊线于“前送-回抽”的运动过程，送出该熔滴于该金属物件4的各部分，而不产生喷渣的情形，确实提升本发明的整体焊制品质，且相对节省去除该喷渣所需耗费 的时间。此外，本发明还可以选择通过一可调式载台2取代上述的固定式载台，以借助该可调式载台2沿其水平轴或垂直轴方向进行摆动或旋转的特性，使得固定于该载台2的金属物件4能够随该载台2摆动或旋转，以确保该金属物件4的欲焊接处，确实落于该焊枪3的转动范围内，而达到较佳的转动范围控制，还因此相对提高该金属物件4的焊制品质，以于该金属物件4的三维曲线焊道上呈现高品质的鱼鳞片状外观。本实施例较佳以如图I所示的二转轴22a、22b控制该可调式载台2的摆动或旋转，其中该转轴22a用以带动该金属物件4沿其垂直轴方向旋转，且该转轴22b用以带动该金属物件4沿其水平轴方向摆动或旋转。请参照图5所示，其为本发明另一较佳实施例，同样以上述自动化焊接机台操作一前置步骤SI’及一接合步骤S2’，但该自动化焊接机台选择以夹持有该焊枪3的一固定式机械手臂1，搭配一可调式载台2为例，以应用于具三维曲线焊道的一金属物件4，使得该焊枪3可以通过短路电弧移行的方式对该金属物件4进行焊接。该前置步骤SI’将具三维曲线焊道的该金属物件4置于该可调式载台2，及将该焊枪3夹持于该固定式机械手臂I并位于一架设范围内，待进行后续的接合步骤S2。更详言之，该金属物件4于该可调式载台2的固定方式如上述实施例所述，可以为水平或直立之方式稳固放置于该可调式载台2，且通过该可调式载台2表面的夹持具21达到较佳的限位效果，于此仅略说明，详细雷同于上述实施例，差异仅在于本实施例的载台2选择为可调式载台。该接合步骤S2’通过该可调式载台2带动该金属物件4,以相对于该焊枪3进行旋转或摆动，使该焊枪3的尖端相对该三维曲线焊道移动，通入电流使该焊枪3以短路电弧移行的方式对该金属物件4进行焊接，使得该金属物件4的三维曲线焊道形成鱼鳞片状。其中，该接合步骤S2’较佳于该焊枪3的架设范围内，使该焊枪3以短路电弧移行的方式对该金属物件4进行焊接，且该架设范围指以该焊枪3尖端垂直指向地面为基准(如图6的X轴)，当该焊枪3夹持于该固定式机械手臂1，该焊枪3相对于该基准(X轴)所夹的角度介于O 135度之间。更详言之，请一并参考图I及图6，首先架设该金属物件4于该可调式载台2及夹持该焊枪3于该固定式机械手臂1，较佳地，使该金属物件4的三维曲线焊道相对于该焊枪的尖端，于本实施例，该焊枪3固定于该金属物件4上方。待该金属物件4于该可调式载台2架设完成后，通过该可调式载台2以带动该金属物件4，使得该金属物件4的三维曲线焊道相对于该焊枪3尖端移动而焊接，而该焊枪3的架设范围相对于该基准向左或向右偏转O 135度，其中，该图6图面所示的α即为本实施例所述的架设范围，使得该金属物件4的欲焊接处可以借助该可调式载台2的旋转或摆动而相对该焊枪3的尖端，以于该架设范围内对该金属物件4的三维曲线焊道各部分进行焊接。举例而言，本实施例该焊枪3的架设位于该基准的左边，并与该基准夹15度角，该可调式载台2通过二转轴22a、22b调整该金属物件4的欲焊接处相对该焊枪3尖端，借此获得较佳的焊制品质。其中，该二转轴22a、22b的配置如上所述，且选择以该短路电弧移行的方式进行焊接，与上述实施例所述相同，故于此均不再详加叙述。
如此，通过该可调式载台2的搭配，尽管该固定式机械手臂I所夹持的焊枪3无法任意移动，也可以操作该可调式载台2，使得该金属物件4的欲焊接处相对于该焊枪3的尖端，于此该焊枪3便可以以短路电弧移行的方式进行焊接，借此确保焊制过程不会因该焊枪3的错误角度位置，而于该金属物件4表面产生喷渣的情形，还可以于该金属物件4的三维曲线焊道形成高品质的鱼鳞片状外观，且通过该短路电弧移行的方式降低焊制过程所需耗费的热能，达到防止该金属物件4焊道外观产生变形的有益效果。为证实本发明的自动焊接方法，可以通过该可调式机械手臂I或可调式载台2调整该焊枪3或该金属物件4，而使得该金属物件4的三维曲线焊道于焊制后，呈现出高品质的鱼鳞片状，且本发明的自动焊接方法具有不产生喷渣的较佳焊接效果。于此，针对焊制后的自行车车架(a)/前叉(b)进行金相分析，由图8a_b的结果显示，不论自行车车架或前叉，于焊接位置都明显看出有全渗透的现象，且并未产生任何气孔或夹渣的缺陷，证实经由本发明的自动焊接方法可以获得高品质的鱼鳞片状焊道。此外，另对该焊制后的自行车车架/前叉进行疲劳测试，由结果得知，该车架的疲劳负荷为122. 4kg，且疲劳寿命达60，000次以上；该前叉的疲劳负荷为66. 4kg，且疲劳寿命达265，031次以上，均明显超过严苛的EN14766登山车车架/前叉商用规范的要求达20 165%以上，证实经由本发明的自动焊接方法可以获得高标准的焊接强度，以使得该自行车产业的焊制制程逐步趋向优质化。本发明的自动焊接的方法，其能够避免焊制后产生喷渣的现象，以呈现出高品质的鱼鳞片状焊道，达到自行车车架/前叉焊制技术优质化的有益效果。本发明的自动焊接的方法，能够降低焊制过程的热能消耗，以达到防止焊道外观产生变形缺陷的有益效果。本发明的自动焊接的方法，能够发展为自动化产线，以克服人力短缺所造成的产业冲击，达到提升产业自动化焊制的较佳有益效果。但以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施范围；故，凡依本发明申请专利范围及创作说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
权利要求
1.一种自动焊接的方法，其特征在于，包含 一个前置步骤，将具数个维度曲线焊道的一个金属物件置于一个载台，及将一个焊枪夹持于一个焊枪夹持装置；及 一个接合步骤，将该焊枪的尖端相对该金属物件的数个维度曲线焊道移动，并通入电流使该焊枪以短路电弧移行的方式进行焊接，借此该金属物件的数个维度曲线焊道形成鱼鳞片状； 其中，该焊枪进行焊接时，该焊枪相对于以该焊枪尖端垂直指向地面为基准所形成的角度介于O 135度，借此避免焊制过程产生喷渣。
2.如权利要求I所述的自动焊接的方法，其特征在于，该载台为一个可调式载台或者 为一个固定式载台。
3.如权利要求I所述的自动焊接的方法，其特征在于，该焊枪夹持装置为一个可调式机械手臂或者为固定式机械手臂。
4.如权利要求I所述的自动焊接的方法，其特征在于，该金属物件为一个自行车结构组件。
5.如权利要求I所述的自动焊接的方法，其特征在于，于该接合步骤中，操作该焊枪夹持装置，于该焊枪的转动范围内，使该焊枪的尖端相对该数个维度曲线焊道移动与焊接；其中，该转动范围指以该焊枪尖端垂直指向地面为基准，当该焊枪尖端相对该数个维度曲线焊道移动时，该焊枪相对于该基准所形成的角度介于O 135度。
6.如权利要求I所述的自动焊接的方法，其特征在于，于该前置步骤中，将具数个维度曲线焊道的一个金属物件置于一个可调式载台，并将一个焊枪夹持于一个焊枪夹持装置并固定于架设范围内；及于该接合步骤中，通过该可调式载台带动该金属物件，使该焊枪的尖端相对该数个维度曲线焊道移动与焊接；其中，该架设范围指以该焊枪尖端垂直指向地面为基准，该焊枪相对于该基准所形成的角度介于O 135度。
7.如权利要求1、5或6所述的自动焊接的方法，其特征在于，该短路电弧移行的焊接方法，包含下述步骤 先于该焊枪通入电流，使得突出该焊枪的焊线的热能逐渐提升而产生电弧放电，以利用该焊枪送线运动规则，于该焊线前送运动中产生熔滴； 待该熔滴与该金属物件欲焊接处接触后，该焊枪瞬间短路而导致电弧消失，此时该焊线尖端产生紧缩效应，以于该焊线回抽运动中，借助回抽时产生的表面张力作用，使该熔滴脱落而于该金属物件的欲焊接处成形；及 当该熔滴脱离该焊线后，于该焊线尖端重新加热而再次生成电弧放电，以重新进入新的焊接循环。
8.如权利要求7所述的自动焊接的方法，其特征在于，该短路电弧移行的电流为80 150安培。
全文摘要
一种自动焊接的方法，包含一前置步骤，将具数个维度曲线焊道的一金属物件置于一载台，及将一焊枪夹持于一焊枪夹持装置；及一接合步骤，使该焊枪的尖端相对该数个维度曲线焊道移动，并通入电流使该焊枪以短路电弧移行的方式进行焊接，使得该金属物件的数个维度曲线焊道形成鱼鳞片状；其中，该焊枪进行焊接时，该焊枪相对于以该焊枪尖端垂直指向地面为基准所形成的角度介于0～135度。其能够避免焊制后产生喷渣的现象，以呈现出高品质的鱼鳞片状焊道，使得自行车车架/前叉焊制技术优质化；其能够降低焊制过程的热能消耗，以防止焊道外观产生变形缺陷；其能够发展为自动化产线，以克服人力短缺所造成的产业冲击，从而提升产业自动化焊制。
文档编号B23K9/12GK102806406SQ20111033903
公开日2012年12月5日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年5月31日
发明者姜志华, 吴隆佃, 蒋伟仁, 林志伦 申请人:财团法人金属工业研究发展中心