CN1004475B - 单侧焊接熔透焊道的控制方法及其设备 - Google Patents

Abstract

单面焊接的焙透焊道控制方法和设备。无论坡口情况（诸如坡口形状和根部间隙等）如何变化，本方法和设备总是可提供一个极好的熔造焊道形状。借助检测母材和背部金属板之间所产生的电压或电流（所述背部金属板通过一种无机材料同母材的背面压紧，所述电流和电压跟熔透焊道宽具有良好的关系），并根据检测到的控制如焊接电流或电弧电压等焊接参数，从而提供均匀的熔透焊道形状。

Description

单面焊接熔透焊道的控制方法及其设备

本发明涉及单面焊接的熔透焊道的控制方法，无论坡口角度等情况如何变化，该方法均能确保熔透焊道的形状良好，本发明还涉及到完成此法所用的设备。

自动单面焊接是这样一种焊接方法：在母材的对接焊过程中，从母材的焊接表面焊接母材，无需翻转便能得到足够的焊缝熔深，而且这种焊接是有效而经济的。因此，本法广泛用于诸如造船用钢材等大型钢板的垫板焊接。

在自动单面焊接中，母材的坡口情况，即，坡口形状，根部间隙等情况必须始终保持恒定以提供良好的熔透焊道。然而，母材的各端面趋于不均匀是一缺陷，这是因为（例如）在切割期间产生热变形而使坡口情况不是总保持不变，以致在焊接以后引起熔透焊道的不均匀性。

本发明的主要目的是为控制单面焊接中的熔透焊道提供一种方法和设备，从而克服上述传统的自动单面焊接法中的缺陷：甚至在坡口状态不恒定情况下，也能达到熔透焊道宽度均匀。

为达到上述目的，根据本发明所提供的控制单面焊接过程中的熔透焊道的方法，确保了熔透焊道宽度均匀，该法包括下列步骤：

（a）在一块金属板上安置一种无机材料。

（b）借助于该金属板，使该无机材料处于同母材背面紧密接触状态。

（c）将一个信号发生器连接到该母材和金属板上，该发生器所产生的电信号与焊机电源的频率，电流和电压特性不同。

（d）将来自上述信号发生器的电信号加到母材和金属板上，以完成单面焊接。

（e）在单面焊接期间，检测母材和金属板之间由电信号所产生的电压或/和电流，以便在焊接期间获得电弧产生点上和电弧产生点周围的电阻抗。

（f）为维持电阻抗恒定、控制诸如焊接电流，电弧电压，焊接速度或焊丝伸出长度等焊接参数。

还有，根据本发明，作为单面焊接熔透焊道的控制设备包括一个焊机电源，一个信号发生器，一个信号检测器，一个带通滤波器，一个变换器，一个滤波器，基准信号设定装置，一个比较器和一个积分电路。

信号发生器被连到母材和金属板上，该金属板通过一无机材料与母材背面紧密接触，而一个在频率，电流和电压特性方面不同于电焊机电源的电信号跨接在母材和金属板上。

带通滤波器只允许通过来自信号发生器所需频率的检测信号。

变换器将通过带通滤波器的交流（ac）信号变换成直流（dc）信号。滤波器则去除包含在变换器所产生的dc信号中的噪声信号。

基准信号设定装置根据所需熔透焊道宽度建立一个预定的标准信号。

比较器将滤波器所产生的dc信号同基准信号设定装置所产生的标准信号加以比较，并产生合成的差信号。

积分电路对比较器所产生的差信号进行积分，并将其输出信号加至焊机电源。

焊机电源以这样一种方式控制焊接参数，以使积分电路的输出信号减小到零，并使单面焊接期间的熔透焊道宽度变得均匀。

作为本发明的一种情况所提供的方法和设备，采用了恒流特性的200赫兹频率振荡器作为信号发生器，在焊接期间，检测母材和金属板之间的交流电压，并将其变换为dc电压，然后将此dc电压同标准电压相比较，由此控制熔透焊道宽度，使其变得均匀。

根据本发明，利用了这样一个事实：在焊接期间，熔透焊道宽度和跨接在母材和金属板两端的信号电压或电流之间存在一种极好的关系，而该电流或电压是由来自信号发生器的电信号加至母材和金属板上引起的，焊接参数以这样一种方式受到控制，以使跨接在母材和金属板上的信号电压或电流维持恒定，而不管坡口情况如何变化，均使熔透焊道的宽度一致，由此确保熔透焊道的形状一致。此外，可易于通过（计算机）联机操作来保证均匀的熔透焊道宽度，因此可大大提高大型钢板的焊接操作效率。

本发明的上述及其他目的，特征和优点，将从下面结合参照附图所作的说明中了解得更清楚。

现对附图简要说明如下：

图1是本发明一个实施例的示意图，用以说明一种采用埋弧焊的单面焊接法的原理，该法采用两个电极而一次通过完成焊接;

图2是特性曲线图，以显示母材和背部铜板上的检测电压同熔透焊道宽度的关系;

图3是表示根据本发明的熔透焊道控制设备的一个方块图。

现对本发明的最佳实例详述如下：

参见图1，标号1表示母材，标号2表示由一种无机材料组成的焊剂垫材并借助背部铜板3同母材1的背面紧压接触。4A和4B为电极，5A和5B为焊机电源，其每个频率为50或60赫兹。标号12为信号发生器。信号发生器12包括一个具有恒流特性的频率振荡器，其频率为200赫兹-与焊机电源5A和5B不同。标号6表示一个电压检测器，用以检测母材1和铜底板3之间的电压。

就图示的单面焊接法而言，在焊接的起始周期内，不形成熔透焊道，母材1和背部铜板3之间的阻抗极高，以致于在母材1和背部铜板3上即使施加了来自信号发生器12的电信号，实际上也无信号电流流过，从而测得频率振荡器的空载电压而作为信号电压。

焊接开始后，当形成令人满意的熔透焊道时，则流过来自频率振荡器的信号电流流通。这是因为：形成良好熔透焊道的地方，正是每块母材1在电弧产生点下形成小孔的地方，致使电弧通过各小孔而到达背部铜板3并由此使母材1和背部铜板3之间呈导电状态。另一个原因是焊剂垫材2由于焊接过程产生的热而被加热，使其一部分形成液态熔渣，从而减小了电阻值。

本发明由于接入信号发生器12而已获得图2所示的特性，该信号发生器12包括一个频率为200赫兹并具有对母材1和铜底板3恒流特性的频率振荡器。该频率振荡器还检查已形成熔透焊道处的母材1和背部铜板3之间的导电状态同熔透焊道宽度的关系。在图2的特性曲线中横轴代表熔透焊道宽度（mm），而纵轴代表电压检测器6所测得的检测电压V（伏特）。

图2中纵轴代表检测电压V，若I表示电流，则导电状态下的阻抗Z表达如下：

Z＊V/I

在本实施例中，信号发生器12包括一个恒流特性的频率振荡器，以使电流I是常数，而且维持Z＝K·V或V＝K′·Z（其中K和K′是常数因此，当加上该恒定电流时，检测电压V直接比例于阻抗Z，这样，检测电压代表阻抗Z。

正如由图2所见，在母材1和背部铜板3上的检测电压V和熔透焊道宽度之间存在着极好的关系。

因此，通过控制焊接参数而使检测电压V或阻抗Z保持恒定，以获得给定的熔透焊道宽度是可能的。

图3是表示用于控制焊接参数以使如前所述维持检测电压V恒定的控制设备一个实例的方块图。正如图3所示，由电压检测器6所测得的母材1和背部铜板3之间的检测电压V，通过一带通滤波器13，而该滤波器只让频率振荡器的输出通过，因此，200赫兹ac信号被加到变换器7并依次变换为dc信号。由变换器7产生的电压信号通过滤波器8，以便去除噪声后再加到比较器9。加到比较器9的电压信号同一个标准电压信号相比较，该标准电压信号是对应一个给定的熔透焊道宽度而在基准电压设定装置10中预先设置的，而给定的熔透焊道宽又基于熔透焊道宽跟跨接于母材1和背部铜板3两者之间的电压的关系。比较器9通过积分电路11向焊机电源提供两个电压信号之差的信号。焊机电源5A以这样一种方式控制焊接电流，以使该差信号减至零。换言之，控制焊接电流以使母材1和背部铜板3之间的电压信号总是等于标准电压信号10。

由于这样控制以使借助信号发生器12的电信号而在母材1与背部铜板3之间所产生的电压V总是维持恒定，因而，完成具有与电压V相对应的给定宽度的熔透焊道单面焊接是可能的，从而也可易于控制熔透焊道的宽度。

虽然在本实施例中，信号发生器〈＆＆〉包括＊个恒流特性、频率为200赫兹的频率振荡器，但也可采用任何不同于焊机电源频率的期望频率、该信号还可以是dc信号。当然，假若在母材1和背部铜板3之间提供一个阻抗，则信号发生器就不必具有恒流特性了。

此外，尽管在本实施例中是控制电极4A的焊接电流，无需说明，除焊接电流外的任何其它焊接参数，只要它能有效形成熔透焊道，均可被采用，例如：电弧电压，焊接速度，焊丝伸出长度等等中的任一参数或它们的任一组合，均可用来控制熔透焊道的宽度。

还有，本发明除适于埋弧焊（即应用一熔化电极的气体保护电弧焊）外，还可适用于任何别的焊接方法。

Claims (16)

1、用于焊接两块母材的单面焊接的熔透焊道控制方法，从该母材焊接表面，通过配置在一块金属板上的无机材料和通过所述无机材料将所述金属板连接到所述母材的背部，本方法特征在于包括下列步骤：

（a）将一个用于产生电信号的信号发生器连到所述母材和所述金属板，该电信号在频率、电流和电压各特性方面与焊机电源不同;

（b）将所述信号发生器的电信号加到所述母材和所述金属板上，以实现所述母材的单面焊接;

（c）在所述单面焊接期间，借助所述电信号检测所述母材和所述金属板之间所产生的电压和/或电流，以获得该焊接过程中电弧产生点上和电弧产生点周围的阻抗值;和

（d）控制诸如焊接电流，电弧电压，焊接速度或焊丝伸出长度等焊接参数，以维持所述阻抗恒定。

2、根据权利要求1所述的单面焊接熔透焊道控制方法的设备，其特征在于包括：

一个信号发生器-连到所述母材和所述金属板，将一个电信号加到所述母材和所述金属板上，该电信号在频率，电流和电压特性方面不同于焊接电源;

一个信号检测器-连到所述母材和所述金属板，以便检测电压和/或电流，该电压和电流是在焊接期间，由来自所述信号发生器的电信号在所述母材与所述金属板之间所产生的;

一个带通滤波器-用于只准通过由所述信号检测器所测到的预定频率的检测信号;

一个变换器-用于将通过所述带通滤波器的交流信号变换为直流信号;

一个滤波器-用于去除来自所述变换器所产生的直流信号中的噪声;

基准信号设定装置-用于根据所需的熔透焊道宽度，设定预定的标准信号;

一个比较器-用于将所述滤波器所产生的直流信号同由所述基准信号设定装置所产生的标准信号加以比较，以产生一个差信号;

一个积分电路-用于对来自所述比较器的差信号进行积分;和

所述焊机电源-用于接收来自所述积分电路的输出信号，以控制诸如焊接电流、电弧电压、焊接速度或焊丝伸出长度等焊接参数，从而将所述积分电路的输出减小至零。

3、根据权利要求2的熔透焊道控制设备，特征在于所述焊接电源包括一个具有50赫兹或60赫兹频率的电源，而其中所述信号发生器包括一个频率为200赫兹并有恒流特性的频率振荡器。

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