CN101362246A - 用于co2气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，涉及电弧焊接控制方法及自动化技术领域，本发明通过检测电弧电压确定熔滴过渡周期，在一个过渡周期中分为三个阶段以不同方式输出：燃弧后期阶段，短路期和短路后期阶段，燃弧初期阶段三个阶段，本发明在现有波形控制基础上直接以能量(电源功率P＝UI)的方式以脉冲形式输出，能满足CO₂气体保护焊和药芯自保护焊对焊接电源的要求，通过调整施加到电弧上的瞬时能量，使焊接过程具有较小的飞溅又能到达足够的熔深和良好的焊缝成型。

Description

用于CO2气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法

技术领域

本发明涉及电弧焊接控制方法及自动化技术领域，确切地说涉及一种用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法。

背景技术

我国石油、天然气能源的布局以及南涝北旱的自然条件，决定了西气东输和南水北调工程的开工建设，随着经济的高速发展，石油、天然气管线建设将以更快的速度发展。大规模的管道施工，特别是野外长输管线施工对焊接设备提出了很高的要求。如何提高机械化施工程度，减轻工人劳动强度；如何提高焊接质量保证一次探伤合格率；如何提高焊接设备工作效率，实现一机多用，减少运输、安装和维护费用；在山区、丘陵地带无法实现机械化施工时对焊接设备小型化、重量轻的要求，都对新一代焊接设备提出了很高的要求。

弧焊电源的输出形式通常分为恒流型，适用于手工焊条电弧焊如普通低氢型焊条、纤维素焊条、氩弧焊等；恒压输出型，适用于CO₂、药芯丝自保护半自动及全自动焊接。目前，手工焊条焊及TIG焊电弧熔滴过渡形式的研究已相当成熟，包括纤维素下向焊功能，实现多功能输出已没有理论和技术性困难。但药芯丝自保护焊、CO₂气体保护焊在电弧理论和控制理论方面目前仍是研究热点。药芯丝自保护焊、CO₂气体保护焊由于焊接效率高，成本低，可半自动或全自动焊接，得到了广泛的应用并逐步取代手工电弧焊，但是由于CO₂气体的性质造成飞溅大、成型差的缺点限制了这一焊接方法的进一步应用；尽管多年来在克服上述两点缺点方面取得了一定成功，但远远没有达到理想的程度。

美国林肯电气公司1993年正式推出了一种利用表面张力控制熔滴短路过渡(STT)的电源，并以STT及相关技术在美国申请了九项专利(专利号分别为US4717807、US4835360、US4866247、US4897522、US4897523、US4954691、US4972064、US5001326、US5002154、US5148001)，在中国申请了一项发明专利(公开号为：CN1033448A发明名称为：控制短路型焊接***的方法和装置)，该技术中，电源“将电焊电流转换到基本电流值以响应短路状态，将焊接电流通常保持在基本电流值上一段预定时间，然后允许焊接电流达到正常安全电流电平值，并使保持步骤在预定时间以前结束以响应检测的电弧状态”，这种输出极大地区别于以前的恒流或恒压特性控制方式的输出，以柔和的电弧和极小的飞溅成为新一代波形控制的代表，美国林肯公司的上述技术对熔滴短路过渡周期中的不同过程采用了控制输出电流的方式。燃弧阶段输出大电流使熔滴能迅速生成；当短路发生时迅速减少电流输出，使熔滴依靠重力和表面张力过渡到熔池中。这种控制方式使得焊接飞溅大大减少，成型美观，但在实际焊接中，由于过渡时能量减小使得电弧穿透力不足，工件熔深不够，可能出现咬边和未融合现象。

国内清华大学的专利(公开号为：CN1164453A发明名称为：用于二氧化碳焊接的逆变式弧焊电源时变输出特性控制方法)；作者杨立军等，出版单位：天津大学材料科学与工程学院，名称为“CO₂焊短路过程动特性与外特性的关系”的期刊文件；作者为张光先等，出版单位为山东大学材料科学与工程学院，名称为“CO₂气体保护焊表明张力的过渡”的期刊文件等都是基于林肯提出的CO₂焊接过程的短路过渡方式进行研究。

但是，上述文件中采用的技术方案都在于强调电弧柔和和减小飞溅，对焊缝熔深不够、未熔合等问题仍未涉及。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种在焊接过程中精确控制脉冲能量输出，使金属熔滴在不同的过渡方式下都能得到足够的熔深、最小的飞溅和良好的成型的用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，本发明在现有波形控制基础上直接以能量(电源功率P＝UI)的方式以脉冲形式输出，能满足CO₂气体保护焊和药芯自保护焊对焊接电源的要求，通过调整施加到电弧上的瞬时能量，使焊接过程具有较小的飞溅又能到达足够的熔深和良好的焊缝成型。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，其特征在于：通过检测电弧电压确定熔滴过渡周期，在一个过渡周期中分为三个阶段以不同方式输出：

燃弧后期阶段，此时熔滴已经形成但还没有与工件短路，在此阶段采用脉冲功率的方法调节输出能量，即焊接电源检测电弧电压U和电流I，得到当前的瞬时功率P＝UI，以P作为反馈量实现脉冲能量输出，该阶段维持至焊丝迅速熔化；

短路期和短路后期阶段，此阶段使电弧稳定熔滴产生并下坠，与工件短路，当焊接电源检测到输出电压急剧下降并确认熔滴与工件短路时，立即降低输出功率的幅值，使熔滴平稳过渡，调节输出功率幅值、频率和占空比使熔深和焊缝宽度得以改变，所述幅值调节至最低需保证电流大于60A，所述频率调节范围为0.5Hz至1KHz，占空比调节范围为10％-90％；

燃弧初期阶段，当焊接电源检测输出电压急剧上升且确认重新燃弧后，进入恒压阶段，这一阶段由于电弧热和电阻热的作用，焊丝前端被迅速融化，形成新的熔滴并开始下一个过渡周期。

所述的脉冲为三组不同周期和占空比的脉冲，所述第一组脉冲出现在燃弧后期阶段，所述第二组和第三组脉冲出现在短路期和短路后期阶段。

所述第一组脉冲出现在燃弧后期阶段是指：设定的最大功率为P_max1、最小功率为P_min1、周期T₁、占空比△₁％。

所述第二组和第三组脉冲出现在短路期和短路后期阶段是指：第二组脉冲中，最大功率为P_max2、最小功率为P_min2、周期T₂、占空比△₂％，第二组脉冲输出5～8个周期后，改变第二组脉冲的周期为T₃、占空比为△3％后得到第三组脉冲，调整T2、△2％以改变熔深，调整T3、△3％可得到不同的焊缝宽度。

所述的以P作为反馈量实现脉冲能量输出是指能量即电源功率P＝UI的方式以脉冲形式输出，而对电流或电压不进行独立的调整，当电流或电压发生突变并超出设定值时立即切换到恒流或恒压方式工作，确保电弧的稳定性。

嵌入式单片机为焊接电源的控制核心，连接输入电路和输出电路，存储参数并实时控制，嵌入式单片机的型号为STC12C5406AD。

本发明的优点在于：

1、由于本发明采用在一个过渡周期中分为三个阶段以不同方式输出，且在燃弧后期阶段采用脉冲功率方式，和在燃弧初期采用恒压方式调节输出功率，这样的技术方案与背景技术中所描述的以美国林肯公司所申请专利为代表的现有技术相比，本发明能使电弧在既能保持足够的穿透力的同时，又能减小飞溅，成型美观，焊缝深度可调，不会出现未溶合的问题，且通过调节脉冲宽度和幅度可以改变电弧特性和稳定工作范围，满足全位置焊接的工艺要求。

2、由于本发明在短路期和短路后期阶段降低输出功率的幅值和频率，第二组脉冲中，最大功率为P_max2、最小功率为P_min2、周期T₂、占空比△₂％，第二组脉冲输出5～8个周期后，改变第二组脉冲的周期为T₃、占空比为△₃％后得到第三组脉冲，调整T2、△2％以改变熔深，调整T3、△3％可得到不同的焊缝宽度。从而真正实现了通过调整施加到电弧上的瞬时能量，使焊接过程具有较小的飞溅又能到达足够的熔深和良好的焊缝成型。

3、由于本发明采用以P作为反馈量实现脉冲能量输出的技术方案，即功率输出方式是以电流、电压的乘积为调整目标，而对电流或电压不进行独立的调整，本方法对功率控制下的电流、电压进行检测，当***电流或电压发生瞬间突变并超出设定值时***立即切换到恒流或恒压方式工作，确保电弧的稳定性。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的补充说明，其中：

图1为电弧短路过渡周期三个阶段脉冲功率施加方式示意图

图2为以P＝UI为调整目标实现脉冲能量输出的示意图

图3为焊丝完成一个熔滴过渡周期的示意图

具体实施方式

实施例1

CO₂电弧焊的基本过程是利用电弧产生的高温区熔化焊丝和工件，并使被熔化的焊丝熔液以射滴或射流的方式过渡到工件母材上。研究表明当焊接电流在160A～180A以下时，熔滴过渡以射滴即短路过渡为主。

参照说明书附图1，本发明公开了一种用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，通过检测电弧电压确定熔滴过渡周期，在一个过渡周期中分为三个阶段以不同方式输出：

燃弧后期阶段，此时熔滴已经形成但还没有与工件短路，在此阶段采用脉冲功率的方法调节输出能量，即焊接电源检测电弧电压U和电流I，得到当前的瞬时功率P＝UI，以P作为反馈量实现脉冲能量输出，该阶段维持至焊丝迅速熔化；

短路期和短路后期阶段，此阶段使电弧稳定熔滴产生并下坠，与工件短路，当焊接电源检测到输出电压急剧下降并确认熔滴与工件短路时，立即降低输出功率的幅值，使熔滴平稳过渡，调节输出功率幅值、频率和占空比使熔深和焊缝宽度得以改变，所述幅值调节至最低需保证电流大于60A，所述频率调节范围为0.5Hz至1KHz，占空比调节范围为10％-90％；

燃弧初期阶段，当焊接电源检测输出电压急剧上升且确认重新燃弧后，进入恒压阶段，这一阶段由于电弧热和电阻热的作用，焊丝前端被迅速融化，形成新的熔滴并开始下一个过渡周期。

实施例2

在实施例1的基础上，所述的脉冲为三组不同周期和占空比的脉冲，所述第一组脉冲出现在燃弧后期阶段，所述第二组和第三组脉冲出现在短路期和短路后期阶段。参照说明书附图1，所述第一组脉冲出现在燃弧后期阶段是指：设定的最大功率为P_max1、最小功率为P_min1、周期T₁、占空比△₁％。所述第二组和第三组脉冲出现在短路期和短路后期阶段是指：第二组脉冲中，最大功率为P_max2、最小功率为P_min2、周期T₂、占空比△₂％，第二组脉冲输出5～8个周期后，改变第二组脉冲的周期为T₃、占空比为△₃％后得到第三组脉冲，调整T2、△2％以改变熔深，调整T3、△3％可得到不同的焊缝宽度。

实施例3

在实施例1和实施例2的基础上，参照说明书附图2，所述的以P作为反馈量实现脉冲能量输出是指能量即电源功率P＝UI的方式以脉冲形式输出，而对电流或电压不进行独立的调整，当电流或电压发生突变并超出设定值时立即切换到恒流或恒压方式工作，确保电弧的稳定性。

实施例4

参见图3，图3中标号1为燃弧后期阶段，标号2、3、4为短路期和短路后期阶段，标号5为燃弧初期阶段。

本发明不限于上述实施例，根据上述实施例的描述，本领域的普通技术人员还可对上述实施例进行任意组合和显而易见的改变，但这并不脱离本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，其特征在于：通过检测电弧电压确定熔滴过渡周期，在一个过渡周期中分为三个阶段以不同方式输出：

燃弧后期阶段，此时熔滴已经形成但还没有与工件短路，在此阶段采用脉冲功率的方法调节输出能量，即焊接电源检测电弧电压U和电流I，得到当前的瞬时功率P＝UI，以P作为反馈量实现脉冲能量输出，该阶段维持至焊丝迅速熔化；

短路期和短路后期阶段，此阶段使电弧稳定熔滴产生并下坠，与工件短路，当焊接电源检测到输出电压急剧下降并确认熔滴与工件短路时，立即降低输出功率的幅值，使熔滴平稳过渡，调节输出功率幅值、频率和占空比使熔深和焊缝宽度得以改变，所述幅值调节至最低需保证电流大于60A，所述频率调节范围为0.5Hz至1KHz，占空比调节范围为10％-90％；

燃弧初期阶段，当焊接电源检测输出电压急剧上升且确认重新燃弧后，进入恒压阶段，这一阶段由于电弧热和电阻热的作用，焊丝前端被迅速融化，形成新的熔滴并开始下一个过渡周期。

2.根据权利要求1所述的用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，其特征在于：所述的脉冲为三组不同周期和占空比的脉冲，所述第一组脉冲出现在燃弧后期阶段，所述第二组和第三组脉冲出现在短路期和短路后期阶段。

3.根据权利要求2所述的用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，其特征在于：所述第一组脉冲出现在燃弧后期阶段是指：设定的最大功率为P_max1、最小功率为P_min1、周期T₁、占空比Δ₁％。

4.根据权利要求2或3所述的用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，其特征在于：所述第二组和第三组脉冲出现在短路期和短路后期阶段是指：第二组脉冲中，最大功率为P_max2、最小功率为P_min2、周期T₂、占空比Δ₂％，第二组脉冲输出5～8个周期后，改变第二组脉冲的周期为T₃、占空比为Δ₃％后得到第三组脉冲，调整T2、Δ2％以改变熔深，调整T3、Δ3％可得到不同的焊缝宽度。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于CO₂气体保护焊和药芯自保护焊接的脉冲能量控制方法，其特征在于：所述的以P作为反馈量实现脉冲能量输出是指能量即电源功率P＝UI的方式以脉冲形式输出，而对电流或电压不进行独立的调整，当电流或电压发生突变并超出设定值时立即切换到恒流或恒压方式工作，确保电弧的稳定性。

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