專利名稱：：雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調電弧焊方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種窄間隙焊接方法，屬于焊接工藝
技術領域：
。技術背景窄間隙焊接技術是一種高質量，高生產率，低生產成本的特別工業(yè)技術，從技術角度上看，其諸多的技術優(yōu)越性決定著該技術在除薄板外的所有厚板范圍內均有極大的誘惑力，從經濟角度看，窄間隙焊接技術的確存在一個經濟板厚的問題。一般來講，板厚越大，其經濟效益越大。窄間隙焊接主要包括兩種，一種是熔化極氣體保護焊(GMAW),此方法在工業(yè)發(fā)達國家中廣泛應用(技術文獻比例高達70%左右)，該方法容易采用中低線能量(20KJ/cm),可釆用更小的根部間隙，易于釆用多層多道熔敷且無需清渣等。其次是埋弧焊方法，該方法對焊絲在坡口中的作用位置不像GMAW方法那樣敏感，適用工藝規(guī)范較寬，工藝可靠性優(yōu)異，焊接作業(yè)環(huán)境更趨"綠色化"，但其焊接線能量大(一般在30—50kJ/cm),接頭的塑、韌性差，重要結構上應用該技術必須進行焊后熱處理，成本較高。同樣在窄間隙條件下，兩種技術都面臨著同樣的問題，就是電弧軸線與坡口面(以下稱側壁)平行，電弧本身很難與之發(fā)生作用，這就導致了側壁熔合的可靠性差(低線能量的GMAW極為突出)這是窄間隙焊接的最大困難，也是本專利要解決的關鍵問題。在2005年上海舉辦的能源工程焊接國際論壇上法國法碼通公司介紹的"Narrow-GrooveMechanizedArcWelding-AdvancedWeldingTechniques"技術通過使用旋轉式窄間隙焊槍，在焊接過程中利用機械機構使焊絲在熔池上端進行360°旋轉，從而解決了側壁融合的問題，得到了大會的認可，但是由于使用這種旋轉式的焊槍增加了機械設備，使整個焊接系統(tǒng)趨于復雜，同時由于其焊接速度要與旋轉速度配合才能充分保證熔深，在焊接的效率上表現(xiàn)不佳。另外，由哈爾濱焊接研究所林尚揚院士主持研制的名為雙絲窄間隙埋弧焊方法(專利編號85104150)的專利技術，也是在焊槍的形狀和功能上做文章，其雙絲焊槍的設計很是巧妙，其前絲的焊嘴斜指向側壁，后絲則垂直向下，使兩絲在空間中形成異面結構，同樣得到了社會的認可。這兩種技術只是通過機械的方法改善了焊槍電弧與側壁的接觸，并沒有看到電弧自身的作用力在解決側壁熔合問題中的作用。
發(fā)明內容本專利通過將直流焊接與交流焊接相結合，提出一種雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調電弧焊方法。通過雙絲交直流焊接控制器控制交流電弧與直流電弧的作用力，具體控制思想是使直流焊絲端接正，同時工件接負，當交流焊絲端為正電壓時，控制直流焊機產生脈沖基值，這樣兩電弧產生的電弧引力最小，當交流電弧處于負電壓時，控制直流焊機產生脈沖峰值，這樣兩電弧產生的電弧斥力最大，即通過控制兩焊絲電流脈沖，控制焊接電弧力，使電弧之間斥力最大化，引力最小化，當兩電弧處在斥力階段時，斥力盡可能的被放大，所以兩電弧極度偏向側壁，這樣就保證了側壁的熔合，當電弧處于引力之時，由于引力盡可能被減小，使電弧保持一定的挺度，保證了熔深。一種雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調電弧焊方法，包括如下步驟步驟一連接設備，調節(jié)交流電焊機參數，頻率為工頻50Hz，交流電壓有效值取值范圍35-90V;步驟二將雙絲交直流焊接控制器的控制端與直流電焊機的電位器給定端連接；步驟三給定直流脈沖的基值電壓，范圍為16~22V,給定直流脈沖的峰值電壓，峰值電壓范圍為28-40V;步驟四兩焊絲送絲速度給定，范圍l~15m/min;步驟五將控制器的檢測端與交流電焊機連接，獲得電壓信號；步驟六電壓信號經檢測模塊處理為檢測信號，兩路低電平信號輸入控制模塊；步驟七經控制模塊計算，生成直流脈沖控制信號輸出到控制端；步驟八調節(jié)控制器模式，使之運行在脈沖輸出模式，輸出設計要求的脈沖信號；步驟九施焊，電弧隨即產生相斥最大，相吸最小的受力狀態(tài)，電弧最大限度偏向側壁解決側壁融合問題。本專利使用了直流電焊機、交流電焊機，以及雙絲交-直流焊接控制器，該控制器包括兩個模塊，一是交流檢測模塊，另一個是直流脈沖控制模塊，本控制器的基本控制思想是，通過檢測交流電流的正負半周，來控制直流電流的脈沖信號，從而控制兩電弧的電弧力，使兩電弧的斥力最大而引力最小，利用電弧之間的斥力來解決側壁熔合的問題。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術，有如下優(yōu)點(1)在交流電弧與直流脈沖電弧的作用之下，兩電弧左右擺動，使電弧的中心區(qū)域可以作用到窄間隙焊縫的側壁，改善側壁的融合，就解決了側壁融合不好的傳統(tǒng)問題。(2)本系統(tǒng)不添加任何機械設備的同時利用電弧自身的作用力，解決側壁融合問題，是整個機構的結構簡單化，通用性強，設備的可靠性也相應提高。(3)本系統(tǒng)的雙絲配置使系統(tǒng)的焊接效率大幅提升，滿足了當今對高效化焊接的要求。(4)電弧脈沖的周期性變化，使得電弧本身的作用力周期性變化，這種作用里對熔池有明顯的震蕩作用，這種作用使得晶粒細化，提高了接頭的力學性能。(5)本專利既可以釆用氣體保護焊的明弧焊方法，又可以釆用埋弧焊的方法，適用性廣泛。本專利釆用了雙絲配置，效率提高明顯，最重要的是本專利利用兩電弧之間的作用力來保證了側壁熔合，使焊接設備的可靠性提高，便于維護。圖l控制器方框圖；圖2電壓釆集濾波電路；圖3電壓過零電路；圖4標準微分電路；圖5分壓隔離及半波整流電路；圖6控制端輸出信號波形；圖7運放LM324;圖8反相器MC14584BCP;圖9控制器中AT89C2051的復位及時鐘電路；圖10顯示譯碼驅動電路；圖ll數碼管選片譯碼驅動電路；圖12鍵盤接口電路；圖13光電耦合器示意圖；圖中l(wèi),3代表ANODE;2，4代表CATH0DE;5，7代表EMITTER;6,8代表COLLECTOR;圖14控制器電路原理圖；圖15第一組參數的電壓電流波形對比圖；圖16第二組參數的電壓電流波形對比圖；圖17雙絲交-直流焊接控制器焊接過程示意圖；具體實施方式在本發(fā)明的試驗中，采用的主要設備為直流電焊機一臺，交流電焊機一臺，送絲機兩臺，雙絲交一直流焊接控制器一臺，焊絲若干。本控制器采用了模塊化設計，分兩個模塊，即交流檢測模塊，以下稱檢測模塊，直流電焊機脈沖控制模塊，以下稱控制模塊，檢測模塊釆用了以模擬電路為主的設計方法，控制模塊采用了以MCU單片機為核心的數字結構，共有3個工作模式，可以分別使焊接電源以恒定峰值電壓模式(model)、恒定基值電壓模式(mode2)、峰值-基值脈沖電壓模式(mode3)輸出，可以在實際操作中靈活選用。整個控制器釆用了"黑匣子"模式，接口簡潔，設備的產品化程度較高。控制器的方框圖，如圖1所示。檢測模塊(1).電壓采集濾波電路濾波電路釆用了有無源原件R、C與集成運算放大器構成的由原濾波電路，本控制器檢測的交流頻率范圍在10200Hz,考慮到交流電弧的電壓波動嚴重本設計釆用低通濾波電路，設計上限為500Hz,交流電焊機的最高空載電壓大約為100v左右，所以釆集進來的電壓需要先進行分壓和濾波，為了增強濾波效果，本電路釆用了兩級濾波，一級有源濾波和一級有源濾波，電壓采集濾波電路如圖2所示。(2)電壓過零比較電路及微分電路本課題中要采集到交流電弧的電壓過零信號，故采用電壓過零比較電路。微分電路可把矩形波轉換為尖脈沖波，微分電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。由電壓釆集濾波電路進來的電壓，送到電壓過零比較電路，經過運算放大器進行過零比較運算，再經過微分電路，輸出為正半波過零瞬間的正脈沖信號和負半波過零瞬間的負脈沖信號。電壓過零比較電路的電路如圖3所示。典型的微分電路有圖4所示。(3)分壓隔離及半波整流電路由于前級電路輸出的電壓超出了單片機的輸入電壓，所以首先應進行分壓，然后再把脈沖信號送到電壓跟隨器中。電壓跟隨器輸出電壓近似輸入電壓幅度，并對前級電路呈高阻狀態(tài)，對后級電路呈低阻狀態(tài)，因而對前后級電路起到緩沖、隔離、提高帶載能力的作用。由電壓跟隨器出來的電壓，再進行正負脈沖信號的分離。具體電路是通過半波整流實現(xiàn)的，具體見圖5。(4)穩(wěn)壓及反相電路為了確保輸入給單片機的電壓為5V,在兩路中都添加5V的穩(wěn)壓管進行穩(wěn)壓。由于所選的單片機觸發(fā)信號為低電平觸發(fā)，所以上述電路輸出的脈沖信號應經過反相器進行反相后，才能成為單片機有效的觸發(fā)信號。反相器使用反相器MCH584BCP原件，圖6為檢測模塊輸出的檢測信號，為兩個有相位差的低電平信號。(5)檢測電路的硬件選擇由上述電壓過零檢測電路各部分電路的功能，可知硬件部分可用到四個運算放大器，兩個二極管，兩個穩(wěn)壓管以及兩個反相器。綜合上述功能結合實際應用，本課題設計的電壓過零檢測電路的硬件部分選擇運放LM324,二極管1N4148,穩(wěn)壓管1N4007及反相器MC14584BCP。圖7、圖8分別為運放LM324和反相器MC14584BCP結構框圖?？刂颇K(1)MCU:MCU釆用AT89C2051,是控制電路的核心。內置2KFLASH程序存儲器及128字節(jié)內部RAM。AT89C2051帶有2個I/O口，Pl和P3。Pl口用作數碼管掃描及驅動。P3口用作鍵盤和脈沖控制端口。(2)顯示顯示部分釆用了3位八段數碼管。其中，可以顯示當前焊接脈沖頻率，范圍為l~500Hz;另外，利用后兩位(第2、3位數碼管)的小數點分別監(jiān)視兩個脈沖控制位的三種工作狀態(tài)第2位數碼管小數點常亮(model)、第3位數碼管小數點常亮(mode2)、第2、3位數碼管小數點根據實際頻率參數交替點亮(mode3)。可直觀、形象地表示出脈沖控制器的運行狀態(tài)。圖10顯示譯碼驅動電路圖11數碼管選片譯碼驅動電路。(3)鍵盤鍵盤-由2個按鍵組成Reset、Mode。其中，Reset為MCU復位鍵，使控制器恢復到默認參數；Mode鍵為脈沖控制器工作狀態(tài)選擇鍵，循環(huán)選擇3個狀態(tài)恒定峰值焊接電壓輸出(model)、恒定基值焊接電壓輸出(mode2)、峰值-基值脈沖焊接電壓輸出(mode3)。(4)電壓給定焊接電壓通過兩個獨立的電位器，分別給定峰值電壓和基值電壓信號。(5)接口開關本部分是一組光電耦合器構成的電子開關，其作用是根據MCU的控制信號，分別將峰值電壓和基值電壓給定信號送到焊機的控制接口端子。交流電焊機的電壓有效值可以取3590v之間，頻率為工頻50Hz。配合直流電焊機峰值電壓在28-40v左右，基值電壓在16-22v之間，送絲速度在l-15(m/min)之間，焊絲直徑可以選用當今巿場常見的1.2、1.6mm的焊絲，焊絲牌號按具體條件不同選擇，可以穩(wěn)定焊接。控制模塊通過采樣模塊使直流脈沖頻率與交流頻率相同，具體參數見下表。第一組和第二組電流電壓波形圖見附圖15和16。表一部分焊接參數<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權利要求1、一種雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調電弧焊方法，包括如下步驟步驟一連接設備，調節(jié)交流電焊機參數，頻率為工頻50Hz，交流電壓有效值取值范圍35～90V；步驟二將雙絲交直流焊接控制器的控制端與直流電焊機的電位器給定端連接；步驟三給定直流脈沖的基值電壓，范圍為16～22V，給定直流脈沖的峰值電壓，峰值電壓范圍為28～40V；步驟四兩焊絲送絲速度給定，范圍1～15m/min；步驟五將控制器的檢測端與交流電焊機連接，獲得電壓信號；步驟六電壓信號經檢測模塊處理為檢測信號，兩路低電平信號輸入控制模塊；步驟七經控制模塊計算，生成直流脈沖控制信號輸出到控制端；步驟八調節(jié)控制器模式，使之運行在脈沖輸出模式，輸出設計要求的脈沖信號；步驟九施焊，電弧隨即產生相斥最大，相吸最小的受力狀態(tài)，電弧最大限度偏向側壁解決側壁融合問題。全文摘要本發(fā)明涉及一種窄間隙焊接方法，屬于焊接工藝
技術領域：
。一種雙絲窄間隙交-直流脈沖協(xié)調電弧焊方法，包括如下步驟連接設備，調節(jié)交流電焊機參數；將雙絲交直流焊接控制器的控制端與直流電焊機的電位器給定端連接；給定直流脈沖的基值電壓，給定直流脈沖的峰值電壓；兩焊絲送絲速度給定，范圍1～15m/min；將控制器的檢測端與交流電焊機連接，獲得電壓信號；電壓信號經檢測模塊處理為檢測信號，輸入控制模塊；經控制模塊計算，生成直流脈沖控制信號輸出到控制端；調節(jié)控制器模式，使之運行在脈沖輸出模式，輸出設計要求的脈沖信號；施焊。本發(fā)明利用兩電弧之間的作用力來保證了側壁熔合，使焊接設備的可靠性提高，便于維護。文檔編號B23K9/10GK101161393SQ20071015017公開日2008年4月16日申請日期2007年11月14日優(yōu)先權日2007年11月14日發(fā)明者鵬劉,勃孫,丹曲,桓李,楊戰(zhàn)勝,楊立軍,陸權森,瑩高申請人:天津大學