CN1008610B

CN1008610B - 电弧焊接方法

Info

Publication number: CN1008610B
Application number: CN88100438A
Authority: CN
Inventors: 杉谷祜司; 村山雅智
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-01-26
Filing date: 1988-01-26
Publication date: 1990-07-04
Also published as: JPS63183776A; EP0278620A1; KR880008853A; EP0278620B1; KR910003525B1; US4851638A; DE3874767D1; CN88100438A; JPH078437B2; DE3874767T2

Abstract

一种电弧焊接的方法，其中一个电极被旋转以产生电弧高速旋转，其中这样产生的电弧被用作电弧检测头以造成坡口仿形焊接。按照本发明，电弧转速N被设定于大于一个常速，该常速由焊丝熔化速度的变化的时间常数所决定，因此当电极在坡口中央时和当它在横向端点时的焊接电流差增大以改进坡口仿形焊的实施。

Description

本发明关于电弧焊接的方法，用来改善电弧在高速旋转下造成的斜面仿形操作。

在电弧焊接方法中，一个电极丝被旋转以造成高速旋转的电弧以进行焊接，这已在诸如日本专利公开文件133871/1980中得以公开。这种焊接方法用于狭坡口的焊接或角焊或许是有用的，因为物理效应例如电弧的力或热由于电弧的高转旋转而能够均匀地沿着熔池分布以改善焊缝的曲率或光滑度或穿透周围部分的能力。

此外，如日本专利公开文件昭91877/1982中所公开的，上述的电弧焊接方法能用于具有高灵敏特性的自动坡口仿形操作，因为由电弧高速旋转而产生的弧电压或电流波形能被分别地积分于焊接进行方向的左和右侧，这样得到的偏移的电压能被直接地用作驱动电机的输入以产生伺服驱动或控制。照这样，除了上述的有关焊缝成形的优点外，另一个优点是在焊接时电极端头位置能被高精度地调设。

另一方面，所谓的电弧检测头***，其中焊接电弧的电流或电压波形被用坡口仿形操作的检测头，这也是公知的，不单有关于上述的电弧焊接方法，该方法中电弧以高速旋转，而且有关于一种焊接方法，其中的电极沿着斜角的宽度作直线往复运动，例如在日本专利公开文件昭19445/1979中或昭26261/1979中所述。

在上述电弧检测头***中，旋转或来回振荡的速度越高（即转速等量于来回振荡速度），两者都以HZ表示，用来表示电弧在单位时间（秒）中的转数或者来回振荡次数，那么电弧检测头的检测或控制能力就越好。

然而，在上述的线性振荡***的焊接方法中，电弧振荡速度不能太高，这是由于机械上的限制，因此实际上设定的限制大约为5HZ。这就给电弧检测头的分辨力设下了限制，使它很难进一步提高控制精度和检测能力。

在电弧被高速旋转的焊接方法中，旋转速度大约在100HZ，举例来说，能被容易地产生来进一步提高电弧检测头的检测和控制能力，因此这方法比线性振荡***的焊接方法更好。

然而，在上述的焊接方法中，焊接时电弧高速旋转，当电弧的旋转速度因故慢下来时，通过分别地积分于电弧电压或电流波形到焊接进行方向的左和右侧，不能得到固定的偏压。结果是噪声的效应太明显，不能合适地显示电弧检测头的效应。

因此本发明的主要目的是消除先有技术的使用高速旋转的电弧焊接方法中的上述缺点，提供一种电弧焊接方法，其中固定地设定了电弧旋转速度的下限，使电弧检测头能合适地显示其效应，以提高坡口焊的作业。

为了实现目的，本发明提供了一种用于电弧焊接的方法，其中一个电极被高速旋转以得到电弧的高速旋转，其中的电弧转速N（HZ）被设定在高于通过下列等式中得出的由焊丝熔速改变的时间常数τ所决定的N，即N＝ 1/(4τ) （HZ）。因此增加了焊接电流之间的差别，即当电极处于坡口中央时和当它处于焊接的横向端点时的焊接电流之间的差别。

上面所引用的时间常数τ的方程式是：

τ＝ 1/(BI²) (1- (△Lf)/(△Ex) )

此公式的推导较复杂，其中大部分推导是数学运算，故此处从略。

其中Ⅰ表示焊接电流，B是由电极直径和材料所决定的常数， △Lf/△Ex是在最稳定状态中焊丝伸出长度L的变量相对于尖端和基础金属之间距离Ex变量。

按照本发明，电弧的转速（HZ）被设定成高于上述的值，以增加焊接电流之间的差别，即当电极在坡口焊中央时和当它在横向端点时的焊接电流之间的差别，以进一步提高电弧检测头的检测和控制能力。

此外，由于电极丝处于坡口中央和当处于横向端点时的焊接电流之间的差别被增大，坡口焊能被完成而不再有焊接时噪声产生的不利效应。

本发明的上述的和其他的目的，特征和优点，通过下面参照附图作的说明就会更清楚。

图1是一个透视图，显示本发明优先实施例的整体结构。

图2是一个侧视图，显示电极头的最前部分。

图3是一个平面图，显示旋转电弧的位置。

图4是一个图表，显示焊接电流I和电弧电压E的变化，焊接电流I和焊接电压E各自被用作横座标轴和纵座标轴的变化。

图5是一个简略图，显示载流头的最前部分。

图6a，b和c都是简略视图，显示位于载流头和基础金属间的距离Ex变化时的电弧长度的变化。

图7是一个图表，显示由于图6中所示电弧长度的变化所造成的焊接电流I和焊接电压E的变化，焊接电流I和焊接电压E各自被作为横座标轴和纵座标轴。

图8是一个图表，显示焊丝伸出长度的变化，时间t和焊丝伸出长度L各自作为横座标轴和纵座标轴。

图9是一个图表，显示焊丝伸出长度的变化，时间t和焊丝伸出长度L各自作为横座标轴和纵座标轴上。

现在看图1至9，本发明的一个优先实施例将更详细地予以说明。

首先看图1，标号1是电极咀，载流头2被装固在咀1的最前部分，电机3用来旋转电极咀1，焊丝4被供向电极咀1的中央，并被一个未示出的在载流头2上的偏心孔所偏置。5是电弧，6是熔池，7是焊缝，8是形成于基础金属9上的坡口的中央。

在上面所述的高速旋转电弧焊接***中，当电极咀由电机3带动沿箭头N方向高速旋转时，在焊丝4最前部分的电弧5在底下熔池6的上方，沿着圆周旋转，该圆周的直径相应于载流头2上偏心孔的偏置量。

现在我们来解述一下对于用作电弧检测头的旋转电弧5的检测能力分析结果。

图2是一个侧视图，显示载流头2的最前部分，图中的电弧5是旋转的。在图中，用实线表示的电弧5表示电弧处于图3所示的坡口8的中央的位置A上，而用虚线表示的电弧5表示电弧在被旋转后到达坡口的端点或横向端点B上，它从坡口8的中央偏移了90°。在图中，当电弧5处于坡口8中央的位置A时，焊丝4的伸出长度是L_A，这时的电弧长度是L_A，这时的焊接电流I_A。当电弧5被旋转和到达坡口的端点位置B时，焊丝4的伸出长度是L_B，这时的电弧长度是I_B，这时的焊接电流是I_B，可以看出在载流头2和基础金属之间的距离E_X，由于电弧5的位置、电弧长度I_A，和I_B的变化而变化。当电弧长度变化时，负载特性也变化，在载流头2和基础金属之间的焊接电流I和电压E，随后称之为电弧电压，也就变化。

在图4中，焊接电流I和电弧电压E的特性变化是电弧长度变化的函数，在此情况下焊接功率源显示出恒定电压特性，焊接电流I和和电弧电压E各自标注在横座标轴和纵座标轴上。

在图中，标号10是焊接功率源的外特性曲线，标号11是电弧的负载特性曲线。电弧的负载特性曲线11作为电弧长度I_A和I_B的函数而变化，如图所示。这些负载特性曲线11显示了I_A＞I_B的情况。

电弧工作点都在外特性曲线10和各相应电弧的负载特性的曲线11的交点上，当电弧5处于坡口的端点位置B时，电弧长度I_B′变成短于电弧长度I_B，因为在载流头2和基础金属之间的距离E_X变得短于当电弧处于斜角的中央A时的距离。这样电弧工作点也从点S_A移到点S_B，同时焊接电流I从I_A增大至I_B。这两个焊接电流的差△I＝I_B-I_A表示作为电弧检测头的检测能力。因此，当弧5处于坡口的边端位置B时，焊接电流I_B变大，电弧检测头的检测能力变得更高。

电弧5的转速越高，焊接电流I_B变得越大，此时电流I_B快速地增大，要比予定转速的电弧5的电流高。在电弧5以极高比例增加转速时，焊丝4的伸出长度L_B是处于恒值，它大致上等于伸出长度L_A，同时只有电弧长度被减至L_B′如图5中所示，同时电弧工作点移至图4中的点S_B′。这样焊接电流被增加至I′_B，焊接电流之间的焊接电流差△I，即当电弧5处于坡口中央位置时的电流和当电弧5处于横向端点时之电流之间的差也被增大以提高电弧检测头的检测能力。

现参照图6和7来解述电弧5的被提高的转速，超过该转速能获得作为检测头的有效的焊接电流差△I，图6a至c都是简略图，用来解释这种情况即在电极头2和基础金属9之间的距离E_X在瞬间地改变，而图7是一个特性图表，显示当距离E_X变化而导致电弧长度变化时，焊接电流I和电弧电压、E的变化，图6a显示的状态是焊接进行中，载流头2和基础金属9之间的距离E_X等于E_XO，伸出长度是L_O，电弧长度是I_O，图6b显示的状态是焊接由图6a的状态向箭头所示的方向进行，在载流头2和基础金属9之间的距离E_XO刚刚被瞬时地减少EX，图6c显示的稳定状态是从图6b中所示的状态经过想当时间后才达到的。

当焊接从图6a中所示的状态进行到图6b中所示的状态，在载流头2和基础金属9之间的距离E_XO瞬间的减少E_X，因此在图6b中状态的伸出长度保持相等于图6a中的状态，即相等于L_O，电弧长度被从I_O变化至I_O′＝I_O-△Ex，当焊接进一步进行而达到图6C中所示的稳定状态时，伸出长度和电弧长度都各自变到L_f和I_f，与载流头2和基础金属9之间的距离E_XO-△E_X相配。此时的电弧长度符合I_O′＞I_O′这个关系，而图6a，6b和6c中各状态的焊接电流能由工作点S_O，S_O′和S_f找出或由焊接电流的外特性曲线10和相应于各电弧长度I_O，I_O′和I_f的各电弧的负载特性曲线11的交点找出，如图7所示。因此，当焊接由图6a的状态进行至图6b的状态时，焊接电流由I_O变化至I′_O，如图7所示，当达到图6c所示的稳定状态时就进一步变化至If。

另一方面，连用消耗性电极焊接的场合，焊丝的熔化速度M_R是下列公知的公式得出的，它是焊接电流I和焊丝4伸出长度L的函数：

M_R＝AI+BL·I²

其中A和B是常数，由诸如焊丝4的材料和直径，以及电弧气的因素决定。

另一方面，伸出长度L或dL/dt的变化率由焊丝供应速度V_f和焊丝熔化速度M_R的差得出，如公式（2）所示：

(dL)/(dt) ＝Vf-M_R……（2）

要注意的是，在使用消耗性电极焊接的场合，采用固定电压特性的电功率源，焊丝供应速度V_f保持不变。因此，由图6a中所示的焊接电流I_O，可根据公式（3）得出焊丝供应速度V_f：

V_f＝AI_O+BL_O°I² _O……（3）

根据当焊接从图6a的状态进行至图6c的状态时的伸出长度L（t）和焊接电流I（t），焊丝熔化速度M_R可由下式得出：

M_R＝AI（t）+BL（t）I²（t）……（4）

如果我们令

I（t）＝I_O+△I……（5）

L（t）＝L_O+△L……（6）

并把等式（3）至（6）代入等式（2）中，同时忽略△I和△L的二阶项，等式（2）就由下面的公式（7）来表示：

(dL（t）)/(dt) ＝-（A+2BL_OI_O△I-BI² _O△L

＝-（A+2BL_OI_O｛I（t）-I_O｝

+BI² _O｛L_O-L（t）｝……（7）

焊接电源的外特性曲线10和电弧长度-电弧电压曲线，对于图6中所示的△E_X的小的值来说可以接近直线，例如，当△E_X不大于10mm。因此，把焊接电源的特性曲线10的坡口设定在K（V/A），把电弧长度-电弧电压曲线的斜率，即，电弧电位的梯度，设定在K（V/mm），并取该瞬间△E_X由时间基准（t＝0）而变，在时间间隔t以后的电弧电压变化可由下式得出：

E_O-E＝K｛I（t）-I_O｝

＝K｛△E_X-L_O+L（t）｝……（8）

因此，我们得到：

I（t）-I_O＝ (K)/(K) ｛L（t）+△E_X-L_O｝……（9）

把等式（9）代入等式（7）并将它整理后得到：

(dL（t）)/(dt) ＝-｛ (K)/(K) （A+2BL_OI_O）+BI² _O｝L（t）

+BL_OI² _O-^K _K（A+2BL_OI_O）（△Ex-L_O）……（10）

如果我们假定

α＝ (K)/(K) （A+2BL_OI_O）+BI² _O，

β＝BL_OI² _O-^K _K（A+2BL_OI_O）（△Ex-L_O）……（11）

等式（10）可以下式表示：

(dL（t）)/(dt) ＝αL（t）＝β……（12），

设积分常数为C₁并解等式（12），

L（t）＝ (β)/(α) +C₁C^-at……（13）

如果我们假定在等式（13）中，t＝0和t＝∞图6a中状态的伸出长度L_O和图6C中状态的伸出长度Lf可以表示为：

L_O＝ (β)/(α) +C₁

Lf＝ (β)/(α) ……（14）

因此下列等式

L（t）＝Lf+（L_O-Lf）e^-af……（15）

可得自等式（13）和（14）。

另一方面，如果我们把等式（7）用于图6c的稳定状态，由于伸出长度的变化率或dL/dt在稳定状态中是零，就得出下列公式：

（A+2BL_OI_O）＝BI² _O· (Lo-Lf)/(If-Io) ……（16）

把等式（16）代入等式（11）的α，焊丝熔化速度变化的时间常数τ由下式给出：

τ＝ 1/(α) ＝ 1/(BI20) （1- (Lo-Lf)/(△Ex) ）＝ 1/(BI² ₀) （1- (△Lf)/(△Ex) ）……（17）

由公式（15）给出的伸出长度（L（t）的变化在图8中由曲线12表示，伸出长度L（t）取自纵座标轴，时间t取自横座标轴，参见图，等式（17）中所示的时间常数τ是时间t在交点15的值，该交点15由曲线12在时间t＝0时的切线13和伸长度L（t）＝Lf的直线14所交成。用近似法，伸出长度L（t）可以被可靠地假定在t＝τ时获得最稳定状态值Lf，如图9所示。

这样，当时间t时，电弧5从坡口A的中央8的位置移到偏离坡口中央8的坡口的横向端点B，见图2和3，时间t小于时间常数τ，在坡口的横向端点B的焊丝伸出长度L_B趋近在坡口的中央A的伸出长度L_A，同时电弧5的转速增加，如图5中所示。

因此，图4中所示的电弧5的工作点S_B趋近工作点S′_B，焊接电流的变化△I能被设于较大值，因此能提高电弧检测头的检测能力。

由于电弧5造成一个完整回转的时间T是当电弧5从坡口中央A移到横向端点B的时间的四倍，转速N（HZ）由N＝ 1/(4T) 得出，因此，使电弧能起合适显示的电弧检测头作用的转速N的下限由公式 1/(4τ) 给出。因为时间常数τ由公式（17）给出，电弧检测头的检测能力能被表示出来，当下列条件能被满足的话：

N＞ (BI^2")/(4(1-△Lf/△Ex)) ……（18）

关于控制精度，转速N越高，电弧做一个完整回转所需的时间就越短，该时间是位置检测所要求的，因此就能提高控制精度。

本发明将被进一步用实际焊接的转速N的数字例子来说明。

表1表示由于载流头2和基础金属之间的距离E_X的变化而造成焊接电流I和焊丝伸出长度L的变化的测量结果，在这场合中，焊接过程中使用的焊丝直径为1.2mm，焊接供应速度为8.7米/分，用10%二氧化碳-氩作为保护气体。

表1

E_X（mm） I（A） L（mm）

20.0 285 15.0

18.0 295 13.2

这样，我们得到 (△Lτ)/(△Ex) ＝ 1.8/2.0 ＝0.9

由于在等式（17）中B的值大约为5×10^-5，时间常数τ由下式给出：

τ＝ 1/(BI²) （1- (△Lf)/(△Ex) ）＝ 1/(5×10^-5285²) （1-0.9）

＝25（ms）

时间常数τ的公式推导较复杂，大部分推导是数学运算，故此处从略。

在此条件下，电弧转速N的最低所需值N_min由下式给出：

N_min＝ 1/(4τ) ＝10（HZ）

表2表示当角焊是以电弧的高速旋转，其旋转直径为D＝2mm，共焊接条件如表1中所示时，电极丝在电弧中央A和当它在横向端点B时的电流差△I的测量结果。

表2

转速N（HZ）电流差△I（A）

1 5

50 40

由表2可见，当转速N小于N_min＝10HZ，如当转速N是1HZ，电流差△I是如此的小，以致使电弧检测头的检测能力很低，反之，当转速N高于N_min，如当N＝50HZ，能得到很高的电弧检测头的检测能力。

同样要注意的是由焊接时造成的燥声引起的焊接电流的波动在3至4（A）的范围内，因此，当转速N是1HZ，电流差△I和焊接噪声引起的电流波动之间的差别对于1HZ的转速N来说是极小，使噪声的作用变成剧烈，反之，对于50HZ的转速N来说，噪声的作用可被降至低至大约1%。

Claims

1、一种电弧焊接方法，其中一个电极被旋转以造成电弧的高速旋转，该电弧被用作进行坡口仿形操作的电弧检头，本发明其特征在于，以HZ为单位的电弧转速N被设定于大于转速N= 1/(4τ) (HZ)，其中的常数由下式给出，τ= 1/(BI²) （1- (△Lf)/(△Ex) ），

其中Ⅰ为焊接电流，B由电极的直径和材料决定的常数，△Lf/△Ex是载流头和基础金属之间距离Ex的变化对于最稳定状态焊丝伸出长度L的变化的比值，这就是增加当电极的坡口中央和当它在坡口横向端点时焊接电流的差别。