專利名稱：用于CO₂氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電弧焊接控制方法及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，確切地說涉及一種 用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)石油、天然氣能源的布局以及南澇北旱的自然條件，決定了西氣 東輸和南水北調(diào)工程的開工建設(shè)，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，石油、天然氣管 線建設(shè)將以更快的速度發(fā)展。大規(guī)模的管道施工，特別是野外長(zhǎng)輸管線施 工對(duì)焊接設(shè)備提出了很高的要求。如何提高機(jī)械化施工程度，減輕工人勞
動(dòng)強(qiáng)度；如何提高焊接質(zhì)量保證一次探傷合格率；如何提高焊接設(shè)備工作 效率，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，減少運(yùn)輸、安裝和維護(hù)費(fèi)用；在山區(qū)、丘陵地帶無 法實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工時(shí)對(duì)焊接設(shè)備小型化、重量輕的要求，都對(duì)新一代焊接 設(shè)備提出了很高的要求。
弧焊電源的輸出形式通常分為恒流型，適用于手工焊條電弧焊如普通 低氫型焊條、纖維素焊條、氬弧焊等；恒壓輸出型，適用于C02、藥芯絲 自保護(hù)半自動(dòng)及全自動(dòng)焊接。目前，手工焊條焊及TIG焊電弧熔滴過渡形 式的研究已相當(dāng)成熟，包括纖維素下向悍功能，實(shí)現(xiàn)多功能輸出己沒有理 論和技術(shù)性困難。但藥芯絲自保護(hù)焊、C02氣體保護(hù)焊在電弧理論和控制 理論方面目前仍是研究熱點(diǎn)。藥芯絲自保護(hù)焊、C02氣體保護(hù)焊由于焊接 效率高，成本低，可半自動(dòng)或全自動(dòng)焊接，得到了廣泛的應(yīng)用并逐步取代 手工電弧焊，但是由于C02氣體的性質(zhì)造成飛濺大、成型差的缺點(diǎn)限制了 這一焊接方法的進(jìn)一步應(yīng)用；盡管多年來在克服上述兩點(diǎn)缺點(diǎn)方面取得了 一定成功，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想的程度。
美國(guó)林肯電氣公司1993年正式推出了一種利用表面張力控制熔滴短 路過渡(STT)的電源，并以STT及相關(guān)技術(shù)在美國(guó)申請(qǐng)了九項(xiàng)專利(專 利號(hào)分別為US4717807、 US4835360、 US4866247、 US4897522、 US4897523、 US4954691、 US4972064、 US5001326、 US5002154、 US5148001),在中國(guó) 申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專利(公開號(hào)為CN1033448A發(fā)明名稱為控制短路型 焊接系統(tǒng)的方法和裝置)，該技術(shù)中，電源"將電焊電流轉(zhuǎn)換到基本電流值 以響應(yīng)短路狀態(tài)，將焊接電流通常保持在基本電流值上一段預(yù)定時(shí)間，然 后允許焊接電流達(dá)到正常安全電流電平值，并使保持步驟在預(yù)定時(shí)間以前
結(jié)束以響應(yīng)檢測(cè)的電弧狀態(tài)"，這種輸出極大地區(qū)別于以前的恒流或恒壓特 性控制方式的輸出，以柔和的電弧和極小的飛濺成為新一代波形控制的代 表，美國(guó)林肯公司的上述技術(shù)對(duì)熔滴短路過渡周期中的不同過程采用了控
制輸出電流的方式。燃弧階段輸出大電流使熔滴能迅速生成；當(dāng)短路發(fā)生 時(shí)迅速減少電流輸出，使熔滴依靠重力和表面張力過渡到熔池中。這種控 制方式使得焊接飛濺大大減少，成型美觀，但在實(shí)際焊接中，由于過渡時(shí) 能量減小使得電弧穿透力不足，工件熔深不夠，可能出現(xiàn)咬邊和未融合現(xiàn) 象。
國(guó)內(nèi)清華大學(xué)的專利(公開號(hào)為CN1164453A發(fā)明名稱為用于二 氧化碳焊接的逆變式弧焊電源時(shí)變輸出特性控制方法)；作者楊立軍等，出 版單位天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，名稱為"C02焊短路過程動(dòng)特性
與外特性的關(guān)系"的期刊文件；作者為張光先等，出版單位為山東大學(xué)材 料科學(xué)與工程學(xué)院，名稱為"C02氣體保護(hù)焊表明張力的過渡"的期刊文 件等都是基于林肯提出的C02焊接過程的短路過渡方式進(jìn)行研究。
但是，上述文件中采用的技術(shù)方案都在于強(qiáng)調(diào)電弧柔和和減小飛濺， 對(duì)焊縫熔深不夠、未熔合等問題仍未涉及。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種在焊接過程中精確控制脈沖 能量輸出，使金屬熔滴在不同的過渡方式下都能得到足夠的熔深、最小的
飛濺和良好的成型的用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控
制方a，本發(fā)明在現(xiàn)有波形控制基礎(chǔ)上直接以能量(電源功率p二ui)的方
式以脈沖形式輸出，能滿足C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊對(duì)焊接電源的
要求，通過調(diào)整施加到電弧上的瞬時(shí)能量，使焊接過程具有較小的飛濺又 能到達(dá)足夠的熔深和良好的焊縫成型。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法，其 特征在于通過檢測(cè)電弧電壓確定熔滴過渡周期，在一個(gè)過渡周期中分為 三個(gè)階段以不同方式輸出
燃弧后期階段，此時(shí)熔滴己經(jīng)形成但還沒有與工件短路，在此階段采 用脈沖功率的方法調(diào)節(jié)輸出能量，即焊接電源檢測(cè)電弧電壓U和電流I， 得到當(dāng)前的瞬時(shí)功率P- UI，以P作為反饋量實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出，該階段 維持至焊絲迅速熔化；
短路期和短路后期階段，此階段使電弧穩(wěn)定熔滴產(chǎn)生并下墜，與工件 短路，當(dāng)焊接電源檢測(cè)到輸出電壓急劇下降并確認(rèn)熔滴與工件短路時(shí)，立 即降低輸出功率的幅值，使熔滴平穩(wěn)過渡，調(diào)節(jié)輸出功率幅值、頻率和占
空比使熔深和焊縫寬度得以改變，所述幅值調(diào)節(jié)至最低需保證電流大于 60A,所述頻率調(diào)節(jié)范圍為0.5Hz至lKHz,占空比調(diào)節(jié)范圍為10%-90%;
燃弧初期階段，當(dāng)焊接電源檢測(cè)輸出電壓急劇上升且確認(rèn)重新燃弧 后，進(jìn)入恒壓階段，這一階段由于電弧熱和電阻熱的作用，焊絲前端被迅 速融化，形成新的熔滴并開始下一個(gè)過渡周期。
所述的脈沖為三組不同周期和占空比的脈沖，所述第一組脈沖出現(xiàn)在 燃弧后期階段，所述第二組和第三組脈沖出現(xiàn)在短路期和短路后期階段。
所述第一組脈沖出現(xiàn)在燃弧后期階段是指設(shè)定的最大功率為Pmaxl、 最小功率為Pmi^、周期T"占空比AW。。
所述第二組和第三組脈沖出現(xiàn)在短路期和短路后期階段是指第二組 脈沖中，最大功率為Pmax2、最小功率為Pmin2、周期T2、占空比^2%，第
二組脈沖輸出5 8個(gè)周期后，改變第二組脈沖的周期為T3、占空比為A 3%后'得到第三組脈沖，調(diào)整T2、 A2。/。以改變?nèi)凵睿{(diào)整T3、 A3。/?？傻玫?不同的焊縫寬度。
所述的以P作為反饋量實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出是指能量即電源功率P=UI 的方式以脈沖形式輸出，而對(duì)電流或電壓不進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)整，當(dāng)電流或電 壓發(fā)生突變并超出設(shè)定值時(shí)立即切換到恒流或恒壓方式工作，確保電弧的 穩(wěn)定性。
嵌入式單片機(jī)為焊接電源的控制核心，連接輸入電路和輸出電路，存 儲(chǔ)參數(shù)并實(shí)時(shí)控制，嵌入式單片機(jī)的型號(hào)為STC12C5406AD。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1、 由于本發(fā)明采用在一個(gè)過渡周期中分為三個(gè)階段以不同方式輸出， 且在燃弧后期階段采用脈沖功率方式，和在燃弧初期采用恒壓方式調(diào)節(jié)輸 出功率，這樣的技術(shù)方案與背景技術(shù)中所描述的以美國(guó)林肯公司所申請(qǐng)專 利為代表的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能使電弧在既能保持足夠的穿透力的同 時(shí)，又能減小飛濺，成型美觀，焊縫深度可調(diào)，不會(huì)出現(xiàn)未溶合的問題， 且通過調(diào)節(jié)脈沖寬度和幅度可以改變電弧特性和穩(wěn)定工作范圍，滿足全位 置焊接的工藝要求。
2、 由于本發(fā)明在短路期和短路后期階段降低輸出功率的幅值和頻率， 第二組脈沖中，最大功率為Pmax2、最小功率為Pmin2、周期T2、占空比A 2%，第二組脈沖輸出5 8個(gè)周期后，改變第二組脈沖的周期為T3、'占空 比為厶3%后得到第三組脈沖，調(diào)整T2、么2%以改變?nèi)凵?，調(diào)整T3、 A3% 可得到不同的焊縫寬度。從而真正實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)整施加到電弧上的瞬時(shí)能 量，使焊接過程具有較小的飛濺又能到達(dá)足夠的熔深和良好的焊縫成型。
3、 由于本發(fā)明采用以P作為反饋量實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出的技術(shù)方案， 即功率輸出方式是以電流、電壓的乘積為調(diào)整目標(biāo)，而對(duì)電流或電壓不進(jìn) 行獨(dú)立的調(diào)整，本方法對(duì)功率控制下的電流、電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)電流
或電壓發(fā)生瞬間突變并超出設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)立即切換到恒流或恒壓方式工 作，確保電弧的穩(wěn)定性。


下面將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的補(bǔ)充說 明，其中
圖1為電弧短路過渡周期三個(gè)階段脈沖功率施加方式示意圖 圖2為以P=UI為調(diào)整目標(biāo)實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出的示意圖 圖3為焊絲完成一個(gè)熔滴過渡周期的示意圖
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
C02電弧焊的基本過程是利用電弧產(chǎn)生的高溫區(qū)熔化焊絲和工件，并 使被熔化的焊絲熔液以射滴或射流的方式過渡到工件母材上。研究表明當(dāng) 焊接電流在160A 180A以下時(shí)，熔滴過渡以射滴即短路過渡為主。
參照說明書附圖1，本發(fā)明公開了一種用于CCb氣體保護(hù)焊和藥芯自 保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法，通過檢測(cè)電弧電壓確定熔滴過渡周期，在 一個(gè)過渡周期中分為三個(gè)階段以不同方式輸出
燃弧后期階段，此時(shí)熔滴已經(jīng)形成但還沒有與工件短路，在此階段采 用脈沖功率的方法調(diào)節(jié)輸出能量，即焊接電源檢測(cè)電弧電壓U和電流I， 得到當(dāng)前的瞬時(shí)功率P- UI，以P作為反饋量實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出，該階段 維持至焊絲迅速熔化；
短路期和短路后期階段，此階段使電弧穩(wěn)定熔滴產(chǎn)生并下墜，與工件 短路，當(dāng)焊接電源檢測(cè)到輸出電壓急劇下降并確認(rèn)熔滴與工件短路時(shí)，立 即降低輸出功率的幅值，使熔滴平穩(wěn)過渡，調(diào)節(jié)輸出功率幅值、頻率和占 空比使熔深和焊縫寬度得以改變，所述幅值調(diào)節(jié)至最低需保證電流大于 60A，所述頻率調(diào)節(jié)范圍為0.5Hz至lKHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為10%-90%;
燃弧初期階段，當(dāng)焊接電源檢測(cè)輸出電壓急劇上升且確認(rèn)重新燃弧 后，進(jìn)入恒壓階段，這一階段由于電弧熱和電阻熱的作用，焊絲前端被迅 速融化，形成新的熔滴并開始下一個(gè)過渡周期。
實(shí)施例2
在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，所述的脈沖為三組不同周期和占空比的脈沖， 所述第一組脈沖出現(xiàn)在燃弧后期階段，所述第二組和第三組脈沖出現(xiàn)在短 路期和短路后期階段。參照說明書附圖1，所述第一組脈沖出現(xiàn)在燃弧后 期階段是指設(shè)定的最大功率為Pmaxl、最小功率為Pminl、周期T,、占空 比A^/。。所述第二組和第三組脈沖出現(xiàn)在短路期和短路后期階段是指第 二組脈沖中，最大功率為Pmax2、最小功率為Pmin2、周期丁2、占空比^2%，
第二組脈沖輸出5 8個(gè)周期后，改變第二組脈沖的周期為T3、占空比為
delat3%后得到第三組脈沖，調(diào)整T2、delat2%以改變?nèi)凵?，調(diào)整T3、delat3%可得 到不同的焊縫寬度。
實(shí)施例3
在實(shí)施例1和實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，參照說明書附圖2，所述的以P作 為反饋量實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出是指能量即電源功率P=UI的方式以脈沖形式 輸出，而對(duì)電流或電壓不進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)整，當(dāng)電流或電壓發(fā)生突變并超出 設(shè)定值時(shí)立即切換到恒流或恒壓方式工作，確保電弧的穩(wěn)定性。
實(shí)施例4
參見圖3，圖3中標(biāo)號(hào)1為燃弧后期階段，標(biāo)號(hào)2、 3、 4為短路期和 短路后期階段，標(biāo)號(hào)5為燃弧初期階段。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，根據(jù)上述實(shí)施例的描述，本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員還可對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行任意組合和顯而易見的改變，但這并不脫離 本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種用于CO2氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法，其特征在于通過檢測(cè)電弧電壓確定熔滴過渡周期，在一個(gè)過渡周期中分為三個(gè)階段以不同方式輸出燃弧后期階段，此時(shí)熔滴已經(jīng)形成但還沒有與工件短路，在此階段采用脈沖功率的方法調(diào)節(jié)輸出能量，即焊接電源檢測(cè)電弧電壓U和電流I，得到當(dāng)前的瞬時(shí)功率P＝UI，以P作為反饋量實(shí)現(xiàn)脈沖能量輸出，該階段維持至焊絲迅速熔化；短路期和短路后期階段，此階段使電弧穩(wěn)定熔滴產(chǎn)生并下墜，與工件短路，當(dāng)焊接電源檢測(cè)到輸出電壓急劇下降并確認(rèn)熔滴與工件短路時(shí)，立即降低輸出功率的幅值，使熔滴平穩(wěn)過渡，調(diào)節(jié)輸出功率幅值、頻率和占空比使熔深和焊縫寬度得以改變，所述幅值調(diào)節(jié)至最低需保證電流大于60A，所述頻率調(diào)節(jié)范圍為0.5Hz至1KHz，占空比調(diào)節(jié)范圍為10％-90％；燃弧初期階段，當(dāng)焊接電源檢測(cè)輸出電壓急劇上升且確認(rèn)重新燃弧后，進(jìn)入恒壓階段，這一階段由于電弧熱和電阻熱的作用，焊絲前端被迅速融化，形成新的熔滴并開始下一個(gè)過渡周期。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的 脈沖能量控制方法，其特征在于所述的脈沖為三組不同周期和占空比的 脈沖，所述第一組脈沖出現(xiàn)在燃弧后期階段，所述第二組和第三組脈沖出 現(xiàn)在短路期和短路后期階段。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法，其特征在于所述第一組脈沖出現(xiàn)在燃弧后期階段是 指設(shè)定的最大功率為Pmaxl、最小功率為Pmim、周期Ti、占空比A^/。。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊 接的脈沖能量控制方法，其特征在于所述第二組和第三組脈沖出現(xiàn)在短 路期和短路后期階段是指第二組脈沖中，最大功率為Pmax2、最小功率為 Pmin2、周期T2、占空比厶2%，第二組脈沖輸出5 8個(gè)周期后，改變第二組脈沖的周期為T3、占空比為A3。/。后得到第三組脈沖，調(diào)整T2、 A2。/o以 改變?nèi)凵睿{(diào)整T3、 A3M可得到不同的焊縫寬度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于C02氣體保護(hù)焊和藥芯自保 護(hù)焊接的脈沖能量控制方法，其特征在于所述的以P作為反饋量實(shí)現(xiàn)脈 沖能量輸出是指能量即電源功率P=UI的方式以脈沖形式輸出，而對(duì)電流 或電壓不進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)整，當(dāng)電流或電壓發(fā)生突變并超出設(shè)定值時(shí)立即切 換到恒流或恒壓方式工作，確保電弧的穩(wěn)定性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于CO₂氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊接的脈沖能量控制方法，涉及電弧焊接控制方法及自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過檢測(cè)電弧電壓確定熔滴過渡周期，在一個(gè)過渡周期中分為三個(gè)階段以不同方式輸出燃弧后期階段，短路期和短路后期階段，燃弧初期階段三個(gè)階段，本發(fā)明在現(xiàn)有波形控制基礎(chǔ)上直接以能量(電源功率P＝UI)的方式以脈沖形式輸出，能滿足CO₂氣體保護(hù)焊和藥芯自保護(hù)焊對(duì)焊接電源的要求，通過調(diào)整施加到電弧上的瞬時(shí)能量，使焊接過程具有較小的飛濺又能到達(dá)足夠的熔深和良好的焊縫成型。
文檔編號(hào)B23K9/10GK101362246SQ20081004612
公開日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月23日
發(fā)明者張自恒, 李晉川 申請(qǐng)人:四川電子焊接設(shè)備公司