專利名稱：檢測(cè)熔滴短路過渡過程中縮頸形成的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于電弧焊的，更具體地說，是關(guān)于熔化極氣體保護(hù)焊熔滴狀態(tài)的檢測(cè)方法。
目前CO2氣體保護(hù)焊在焊接生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。其中短路過渡焊接是薄板及全位置焊接領(lǐng)域常使用的方法。目前，短路過渡焊接存在著一個(gè)突出的缺點(diǎn)，即飛濺量大，造成焊接質(zhì)量差及勞動(dòng)生產(chǎn)率低，并惡化了勞動(dòng)條件。如何解決這一問題是焊接工程技術(shù)人員長(zhǎng)期以來的重要研究課題。短路過渡形成飛濺的主要來源一是初期短路，另一原因是液態(tài)金屬小橋發(fā)生爆斷。熔滴的初期短路行為是指熔滴與熔池相接觸，迅速分離，在此過程中不發(fā)生液體金屬的過渡，而在分離時(shí)形成飛濺。小橋爆斷之前100～200微秒內(nèi)積累了大量的過剩能量，使得小橋爆斷時(shí)處于一個(gè)高能量的狀態(tài)，形成飛濺。目前采用電流控制技術(shù)減少飛濺，在短路發(fā)生的時(shí)刻將電流切換到某一較低水平并保持一段時(shí)間，在低電流的條件下，熔滴與熔池金屬分離的幾率大大減小，從而減少初期短路；其后，取消降流措施，使焊接電流按一定規(guī)律增長(zhǎng)，以產(chǎn)生縮頸過程所必需的電磁壓縮效應(yīng)；而當(dāng)焊絲端部與熔池之間的液體金屬形成縮頸之后，迅速將電流降低，減少所積累的過剩能量，使得小橋在低能量狀態(tài)下，主要依靠表面張力將其拉斷并平穩(wěn)過渡至熔池，這樣就達(dá)到了降低飛濺的目的。然而，隨之而來的是，短路過渡焊接過程中熔滴狀態(tài)的檢測(cè)特別是縮頸形成的檢測(cè)成為該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。由于在CO2短路過渡焊接中存在著固有的非規(guī)律性的過渡特征，過去所提出的多種檢測(cè)方法，包括檢測(cè)電弧電壓信號(hào)或焊接電流信號(hào)的方法均存在檢測(cè)不穩(wěn)定，延時(shí)嚴(yán)重等等問題。例如已有的電弧電壓檢測(cè)方法，若判斷閾值過低，則出現(xiàn)檢測(cè)失誤多，錯(cuò)誤信號(hào)頻繁；而判斷閾值過高則出現(xiàn)檢測(cè)不及時(shí)，時(shí)間余量少，無法與現(xiàn)有的電流切換控制技術(shù)相適應(yīng)。而采用焊接電流檢測(cè)技術(shù)，則由于電流信號(hào)一般采于分流器，信號(hào)為毫伏級(jí)水平，抗干擾能力差。嚴(yán)重地影響短路過渡低飛濺技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提出一種利用電弧電壓及其微分來檢測(cè)短路發(fā)生和縮頸形成時(shí)間的方法。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的檢測(cè)熔滴短路過渡過程中縮頸形成的方法包括下列步驟(1)將電弧的電壓信號(hào)進(jìn)行分壓濾波；(2)將分壓濾波后的電壓信號(hào)分別輸入至短路檢測(cè)電路和縮頸檢測(cè)電路。
(3)在短路檢測(cè)電路中對(duì)電壓幅值進(jìn)行判斷，檢測(cè)短路的發(fā)生時(shí)間并區(qū)分引弧短路與熔滴短路的電壓信號(hào)；(4)將熔滴短路后電壓信號(hào)進(jìn)行一階微分、二階微分運(yùn)算，由兩個(gè)比較器將其分別與判斷閾值相比較，再將比較結(jié)果進(jìn)行“與”運(yùn)算，從而檢測(cè)到液態(tài)金屬縮頸形成的時(shí)刻。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下的有益效果利用本發(fā)明可以有效地對(duì)熔滴短路過渡狀態(tài)中的縮頸形成進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的檢測(cè)，從而為短路過渡的實(shí)時(shí)控制創(chuàng)造條件，與計(jì)數(shù)器相聯(lián)接，可以獲得短路過渡頻率及其它信息。也就是說，采用本發(fā)明簡(jiǎn)便的方法可以滿足現(xiàn)有的控制技術(shù)的需要，實(shí)現(xiàn)短路過渡過程中電流切換，達(dá)到低飛濺短路過渡焊接的目的。本方法與微機(jī)相聯(lián)接，可檢測(cè)短路頻率及初期短路和正常短路各自所占的比例等以便利用這些信息確定合理的焊接工藝參數(shù)，以得到更為穩(wěn)定的焊接過程。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1是分壓濾波電路圖；圖2是短路檢測(cè)電路圖；圖3是縮頸檢測(cè)電路圖。
本發(fā)明的要點(diǎn)是，通過檢測(cè)熔滴短路期間焊接電壓的一階微分、二階微分，從而檢測(cè)焊絲與熔池之間的液體金屬縮頸形成的時(shí)刻。本發(fā)明的原理是利用檢測(cè)電弧電壓的幅值來檢測(cè)熔滴短路的發(fā)生，并區(qū)分引弧短路和熔滴短路；利用短路后電弧電壓的一階微分和二階微分來檢測(cè)縮頸的形成。當(dāng)引弧時(shí)電壓信號(hào)由焊機(jī)空載電壓(＞40伏)迅速降到短路電壓(＜10伏)，而熔滴短路時(shí)電壓信號(hào)由燃弧電壓(約20伏左右)迅速降至短路電壓(＜10伏)，通過檢測(cè)電壓的迅速降低判斷短路的發(fā)生，并通過檢測(cè)電壓由空載電壓下降到短路電壓，還是由燃弧電壓下降到短路電壓，以區(qū)分引弧短路和熔滴短路。焊絲端頭與熔池之間的液體金屬形成縮頸時(shí)，電壓信號(hào)發(fā)生具有特征性的變化，通過檢測(cè)電壓一階、二階微分來判斷這種變化的出現(xiàn)，達(dá)到檢測(cè)縮頸形成的目的。
在縮頸檢測(cè)電路中，輸入信號(hào)為電弧電壓，經(jīng)過圖1中分壓濾波電路處理后進(jìn)入圖2中的短路檢測(cè)電路，其中短路期間的電壓信號(hào)進(jìn)入圖3中的縮頸檢測(cè)電路，各自經(jīng)過相應(yīng)的處理，排除各種干擾因素的影響，最后輸出所需的脈沖信號(hào)。
圖1中的分壓濾波電路主要是由電阻、電容、運(yùn)算放大器共同構(gòu)成一個(gè)二階低通有源濾波電路，其作用是以合適的分壓比將電弧電壓信號(hào)濾波并消去干擾后傳遞給后繼環(huán)節(jié)。
在圖1中，輸入信號(hào)為電弧電壓信號(hào)，R1，R2阻值達(dá)數(shù)十千歐，R3，R4，C1，C2及LM324組成低通濾波器電路，L1輸出為分壓濾波后的電弧電壓信號(hào)，分壓比為1/10。經(jīng)實(shí)測(cè)對(duì)于15V階躍信號(hào)延時(shí)時(shí)間僅15μs，并能有效地消除高頻干擾。
圖2中的短路檢測(cè)電路的作用是及時(shí)地檢測(cè)熔滴與熔池相接觸，即檢測(cè)短路的發(fā)生，并區(qū)分引弧短路和熔滴短路。此處根據(jù)電壓信號(hào)是由空載電壓下降到短路電壓還是由燃弧電壓下降到短路電壓來區(qū)分這兩種短路，判斷閾值由調(diào)整電位器獲得，對(duì)應(yīng)于電弧電壓分別為30V和10V。其中第一個(gè)閾值的設(shè)定與弧焊電源的外特性有關(guān)，對(duì)于抽頭式弧焊電源可設(shè)低一些，對(duì)于其它類型的弧焊電源可設(shè)高一些。短路檢測(cè)電路由比較器、邏輯門電路、數(shù)字濾波電路等電路組成，數(shù)字濾波電路的引入是為了消除門電路產(chǎn)生的干擾脈沖。該電路能在短路發(fā)生后數(shù)十微秒內(nèi)發(fā)出一個(gè)寬度可調(diào)的正脈沖，并能有效地把短路引弧與熔滴短路可靠地區(qū)分開，從而有利于正常引弧的進(jìn)行。
在圖2中，L2為電壓比較器LM319，5腳和10腳為分壓濾波后的電弧電壓信號(hào)，4腳和9腳為閾值電壓，其中4腳為6伏，9腳為2伏。L3為異或門，L4為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器4098，L4的5、3、12腳接地，13腳接VCC。L5為D型觸發(fā)器4013，L6為非門，L4，L5，L6組成數(shù)字濾波電路，用于消除干擾信號(hào)。L5的6腳接地，5腳接L6的1腳，4腳接L6的2腳。1腳與L4的11腳相連，L4的10腳輸出短路檢測(cè)信號(hào)。
圖3中的縮頸檢測(cè)電路用以檢測(cè)電弧電壓信號(hào)的變化，與焊接電流信號(hào)無關(guān)，它由運(yùn)算電路和相應(yīng)的邏輯電路組成。該電路檢測(cè)到縮頸形成時(shí)的電壓變化后，發(fā)出正脈沖信號(hào)，其參數(shù)一經(jīng)確定無需因焊接參數(shù)變化而更改。
在圖3中，L7為電壓比較器LM319，此處作為起頻器，12腳輸出頻率為幾十KHz的脈沖信號(hào)，O1為光耦，其作用是使僅有短路期間的電壓信號(hào)才能進(jìn)入縮頸檢測(cè)電路，而燃弧階段的電壓信號(hào)由于光耦被關(guān)閉而不能進(jìn)入縮頸檢測(cè)電路，以此保證不會(huì)引起縮頸檢測(cè)電路誤判斷。其中1腳接L2-12，4腳接L1-1。L9、L16為采樣保持器LF398，其中L9-3接短路階段的電壓信號(hào)，8腳與L7-12相連，5腳為L(zhǎng)9-3的采樣保持信號(hào)。L16-3接L10-6，8腳與L7-12相連，5腳為L(zhǎng)10-6的采樣保持信號(hào)。L10，L11為運(yùn)算放大器OP-07，其中L10的6腳輸出為短路階段電壓的一階微分信號(hào)，L11的6腳輸出為短路階段電壓的二階微分信號(hào)。L8為電壓比較器LM319，其中5、10腳接閾值電壓。所述閾值通過采集短路過渡過程中的電壓信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行一階、二階微分運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果與熔滴及液體小橋的狀態(tài)相對(duì)照，可得出，當(dāng)液體小橋發(fā)生縮頸時(shí)電壓一階微分值為30～50伏/毫秒，二階微分值為30000～50000伏/毫秒平方。L13為與門4081，L12為單穩(wěn)觸發(fā)器4098，4腳與L8-7相連，6腳輸出為處理后的縮頸檢測(cè)信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)熔滴短路過渡過程中縮頸形成的方法，其特征是，它包括下列步驟(1)將電弧的電壓信號(hào)進(jìn)行分壓濾波；(2)將分壓濾波后的電壓信號(hào)分別輸入至短路檢測(cè)電路和縮頸檢測(cè)電路；(3)在短路檢測(cè)電路中對(duì)電壓幅值進(jìn)行判斷，檢測(cè)短路的發(fā)生時(shí)間，并區(qū)分引弧短路與熔滴短路的電壓信號(hào)；(4)將熔滴短路后電壓信號(hào)進(jìn)行一階微分、二階微分運(yùn)算，由兩個(gè)比較器將其分別與判斷閾值相比較，再將比較結(jié)果進(jìn)行“與”運(yùn)算，從面檢測(cè)到液態(tài)金屬縮頸形成的時(shí)刻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種檢測(cè)熔化極氣體保護(hù)焊短路過渡過程中液態(tài)金屬縮頸形成的方法,它將熔滴短路后電壓信號(hào)進(jìn)行一階微分、二階微分運(yùn)算,由兩個(gè)比較器將其分別與判斷閾值相比較,再將比較結(jié)果進(jìn)行“與”運(yùn)算,從而檢測(cè)到液態(tài)金屬縮頸形成的時(shí)刻。本發(fā)明的方法簡(jiǎn)便易于實(shí)現(xiàn),可有效地對(duì)熔滴短路過渡狀態(tài)進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的檢測(cè),與控制系統(tǒng)配合工作,可達(dá)到低飛濺短路過渡焊接的良好效果。
文檔編號(hào)B23K9/095GK1204562SQ9710515
公開日1999年1月13日 申請(qǐng)日期1997年7月5日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月5日
發(fā)明者李桓, 張寶紅, 谷寶峰, 楊杰, 王宗成, 李俊岳 申請(qǐng)人:天津大學(xué)