CN101249581A - 电弧焊接的焊道形状仿真装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电弧焊接的焊道形状仿真装置，利用热传导计算来推断电弧焊接的焊道形状，可执行与施工中所使用的焊接电源的种类对应的模拟。该装置具备：计算出从电弧向熔池的输入热量的热源模型HSM、根据该输入热量qc通过热传导计算计算出熔池形状进而推断焊接焊道形状的熔池模型MPM，并且设置有将输出瞬时焊接电流的焊接电源模型化的焊接电源模拟模块PSS，另外，上述热源模型HSM包括：以所述瞬时焊接电流io作为输入、以瞬时焊接电压vo作为输出的使电弧负荷模型化的电弧负荷模拟部，该瞬时焊接电压vo作为反馈信号输入到上述焊接电源模拟模块PSS，同时根据上述瞬时焊接电流io及上述瞬时焊接电压vo计算出所述输入热量qc。

Description

电弧焊接的焊道形状仿真装置

技术领域

本发明涉及一种电弧焊接的焊道形状仿真装置，其用于将电弧焊接的焊道形状通过模拟而推断。

背景技术

电弧焊接的品质取决于焊接结果所得到的焊道形状(焊道宽度、堆高高度、熔深、有无缺陷等)。随着焊接电源控制技术的提高，焊接稳定性也在提高，但可得到最佳焊道形状的焊接条件的选择依然依靠熟练操作者的经验，这是实际情况。但是，即使是熟练操作者，在使用未用过的焊接材料进行焊接或者进行新的材料的焊接时，焊接条件的选择也不得不依靠反复试验。因此，试验焊接用的空间的确保及试验焊接用的焊接工件、焊接材料、时间等就得化掉多余的，从而成为产品成本上升的主要因素。另外，在为初学者的情况下，由于为了取得熟练作业者同等程度的经验，直至得到最佳的焊接条件为止必须进行实际焊接的反复试验，因而更需要时间。

在这样的背景下，最初开发了一种根据过去的施工数据来选择焊接条件的技术。但是，该方法中存在以下问题：当在过去没有实践过的施工条件下进行焊接时不能推导出合适的焊接条件，从而适用范围受到局限。为了解决该问题，又开发了一种通过热传导计算来计算出熔池形状，进而推断焊接焊道形状的模拟技术(参照专利文献1)。基于这样的模拟的方法中，由于不依靠过去的施工数据，因而即使在没有实践过的施工条件下也能够推导出可形成健全的焊道形状的焊接条件。下面，说明通过模拟来推断焊接焊道的现有技术。

图5是现有技术中的电弧焊接的焊道形状仿真装置的框图之一例。下面参照该图来说明各模块。

输入输出器件IOD输入输出由焊接焊道形状模拟中使用的各种初始数据及模拟结果的显示数据构成的输入输出信号iod。管理模块MB将该初始数据sl输出到初始数据库DB，同时将下述的模拟结果显示信号dm输出到上述的输入输出器件IOD。初始数据库DB输出热源模型用初始数据sl1及熔化区模型用初始数据sl2。热源模型用初始数据sl1由焊丝种类、焊丝直径、保护气体(shield gas)种类、焊接法、焊丝突出长度、电流设定值(焊丝进给速度)、电压设定值、焊接速度等构成。而熔化区模型用初始数据sl2由母材材质、接缝(joint)形状、工件设置角度、焊接速度构成。

热源模型HSM是将电弧热源模型化后的模型，根据上述的热源模型用初始数据sl1来数值运算向母材的输入热量，并输出输入热量计算信号qc[W]。熔化区模型MPM以该输入热量计算信号qc作为输入，根据上述的熔化区模型用初始数据sl1对熔池形状进行热传导计算，基于此推断焊接焊道形状且输出焊接焊道形状推断信号ba。保存转换模块DM保存该焊接焊道形状推断信号ba，同时转换为将焊接焊道形状进行图形显示用的数据并输出模拟结果显示信号dm。所推断的焊接焊道形状图形显示于上述的输入输出器件IOD。

专利文献1：特开2001-205437号公报

在现有技术的焊接焊道形状模拟中，通常是将图5所述的热源模型HSM中的输入热量qc在假设恒定值的直流电流Ic、电压Vc被提供给电弧负荷的状态下进行计算。即，输入热量为qc＝io×vo＝Ic×Vc。在此，io为瞬时焊接电流，vo为瞬时焊接电压。在此，当焊接速度设为wv时，对母材的每单位焊接长度的输入热量是qc/wv。其结果，由于只要将瞬时焊接电流io及瞬时焊接电压vo设为恒定值，每单位焊接长度的输入热量就始终为恒定值，因而基于上述的熔化区模型推断焊接焊道形状的精度就降低。该原因如下，即，由于在计算焊接焊道形状中，必须考虑在熔化值表面的电弧压力(瞬时焊接电流io的函数)，并且考虑瞬时焊接电流io，因而就能够精密地计算熔化值表面的各种力的均衡。与此相对，在瞬时电流io及瞬时电压vo设为恒定值时，始终施加于熔化区表面的电弧压力就是恒定值，从而降低了焊接焊道推断的精度。

如上所述，为了提高焊接焊道形状的推断精度，就需要在热源模型HSM中精密地计算瞬时焊接电流io及瞬时焊剂电压vo，并输出输入热量qc＝io×vo。因此，需要考虑焊接电源的电压/电流控制来构筑热源模型HSM。就焊接电源而言，为了使焊接状态稳定化，进行各种输出控制(电弧长控制，焊接电流/电压波形控制等)。因此，在将焊接电源的电压/电流控制组入热源模型HSM时，必须在指定焊接电源是哪个制造商的哪个机型的基础上构建热源模型HSM。其结果，在使用了焊接焊道形状仿真装置时，在仿真装置的热源模型HSM的作为对象的焊接电源的机型和实际施工中使用的焊接电源的机型不同的情况下，由于两者的电压/电流控制方法不同，而使焊接焊道形状的推断精度降低，这样的问题存在。为了解决这个问题，虽然只要按所有的焊接电源的机型对热源模型HSM实行用户化即可，但由于热源模型HSM内部由复杂的运算式构成，因而将与焊接电源有关的项目区分并进行用户化的工作时间庞大，极不现实。

发明内容

因此，本发明提供一种电弧焊接的焊道形状仿真装置，能够很容易地构建即使焊接电源的种类改变也能够精密地计算输入热量的热源模型，且能够高精度推断焊接焊道形状。

为解决上述的课题，本发明第一方面提供一种电弧焊接的焊道形状仿真装置，其具备：计算出从电弧向熔池的输入热量的热源模型、根据该输入热量通过热传导计算计算出熔池形状而推断焊接焊道形状的熔化区模型，其中，

设置有将输出瞬时焊接电流的焊接电源模型化的焊接电源模拟模块，

上述热源模型包括将以上述瞬时焊接电流作为输入、以瞬时焊接电压作为输出的电弧负荷模型化的电弧负荷模拟部，将该瞬时焊接电压作为反馈信号输入到上述焊接电源模拟模块，同时根据上述瞬时焊接电流及上述瞬时焊接电压计算出上述输入热量。

第二方面在第一方面的基础上，提供电弧焊接的焊道形状仿真装置，其特征在于，设置有与多种焊接电源的种类对应的多个上述焊接电源模拟模块，当选择焊接电源的种类时就选择对应的一个上述焊接电源模拟模块。

根据上述第一方面，将焊接电源的输出控制模型化的焊接电源模拟模块与热源模型独立设置，而且在焊接电源模拟模块和热源模型之间使接口明确化，以输入输出瞬时焊接电流及瞬时焊接电压。因此，在已确定了施工时所使用的焊接电源的种类的情况下，由于按照将上述的接口规范充足化的方式只要使焊接电源模型化即可，所以，可预先构建焊接电源模拟模块。其结果，能够实现通过焊接电源模拟模块及热源模型的联合可正确计算出瞬时焊接电流及瞬时焊接电压，并且焊接焊道形状的推断精度高的仿真装置。

根据上述第二方面，预先准备与多种焊接电源的种类对应的多个焊接电源仿真装置，在已确定了施工时所使用的焊接电源的类型时，通过选择与该焊接电源相对应的焊接电源模拟模块，使始终高精度的焊接焊道形状的推断成为可能。

附图说明

图1是本发明实施方式1的电弧焊接的焊道形状仿真装置的框图；

图2是用于表示图1中的焊接电源模拟模块PSS的示例的脉冲电弧焊接的电流/电压波形图；

图3是将图1中的焊接电源模拟模块PSS针对脉冲电弧焊接电源进行例示的框图；

图4是本发明实施方式2的电弧焊接的焊道形状仿真装置的框图；

图5是现有的电弧焊接的焊道形状仿真装置的框图。

符号说明

1：焊丝

2：母材

3：电弧

4：焊炬

5：进给辊

ba：焊接焊道形状推断信号

CC：电流设定控制模块

CS：恒流电源

DB：初始数据库

DB2：焊接电源模拟模块数据库

DM：保存/转换模块

dM：模拟结果显示信号

EV：电压误差放大电路

HSM：热源模型

HSM2：第二热源模型

id：基础电流值

ibr：基础电流设定值

Ic：直流电流

ICR：电流设定控制电路

icr：电流设定控制信号

io：瞬时焊接电流(信号)

IOD：输入输出器件

iod：输入输出信号

ip：峰值电流值

ipr：峰值电流设定值

L：电感值

MB：管理模块

MPM：熔化区模型

OPC：电源主电路模拟模块

ps1、ps2：模型数据

PSS：焊接电源模拟模块

PSS2：第二焊接电源模拟模块

qc：输入热量(计算信号)

r：电阻值

s2：初始数据

sl1：热源模型用初始数据

sl2：熔化区模型用初始数据

s2：焊接电源选择信号

Tb：基础期间

Tp：峰值期间

Tpr：峰值期间设定值

vb：峰值电压值

Vc：直流电压

VF：电压/频率转换电路

Vf：脉冲周期信号

vo：瞬时焊接电压(信号)

vp：峰值电压值

VR：焊接电压设定电路

Vr：焊接电压设定信号

ΔV：电压误差放大信号

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是表示本发明实施方式1的电弧焊接的焊道形状仿真装置的框图。该图中，对于与上述图5相同的模块赋予相同的符号而省略其说明。下面，参照该图1对不同的模块进行说明。

第二热源模型HSM2内置有电弧负荷模拟部及输入热量运算部。焊接电源模拟模块PSS被独立设置。因此，该第二热源模型HSM2通过上述的热源模型用初始数据sl1来设定模拟条件，以来自下述的焊接电源模拟模块PSS的瞬时焊接电流信号io作为输入，通过电弧负荷模拟部计算出瞬时焊接电压信号vo，并输出到焊接电源模拟模块PSS，并且以这些瞬时焊接电流信号io及瞬时焊接电压信号vo作为输入，通过输入热量运算部输出输入热量产出信号qc。

焊接电源模拟模块PSS由电流设定控制模块CC及电源主电路模拟模块OPC构成。电流设定控制模块CC为将焊接电源的反馈控制系统进行模型化后的模块，并以上述的瞬时焊接电压信号vo作为反馈信号而输出电流设定控制信号icr。由于最近的焊接电源的控制电路由软件构成，所以电流设定控制模块CC就变成使用其软件自身，进而可简单地进行构建。

电源主电路模拟模块OPC为将焊接电源的主电路进行模型化后的模块，通过传递函数等可构建为比较简单的模型。关于上述的电流设定控制模块CC及电源主电路模拟模块OPC，将以脉冲电弧焊接电源的情况为例在图2～3中详细叙述。

图2是在自耗电极式脉冲电弧焊接中如图1所述的焊接电源模拟模块PSS中的各信号的波形图。该图(A)表示电流设定控制信号icr，该图(B)表示瞬时焊接电流io，该图(C)表示瞬时焊接电压vo。下面，参照该图来进行说明。

时刻t1～t2所示的预先确定的峰值期间Tp中，如该图(A)所示，电流设定控制信号icr的值为预先确定的峰值电流设定值ipr，如该图(B)所示，瞬时焊接电流io因焊接电源内外的通电路径的电抗器(reactor)(电感值L)及电阻值r而持有倾斜且上升，然后达到峰值电流值ip。另外，如该图(C)所示，瞬时焊接电压vo也持有倾斜且上升，然后达到最大电压值vp。

时刻t2～t3所示的由反馈控制确定的基础期间Tb中，如该图(A)所示，电流设定控制信号icr的值为预先确定的基础电流设定值ibr，如该图(B)所示，瞬时焊接电流io因通电路径的电感值L及电阻值r而持有倾斜且下降，然后，达到基础电流值ib。另外，如该图(C)所示，瞬时焊接电压vo也持有倾斜且下降，然后达到基底电压值vb。

如该图(C)所示，上述的基础期间Tb的长度被反馈控制，以使瞬时焊接电压vo的平均值(与电弧长度成比例)与规定的焊接电压设定值Vr相等。

图3是脉冲电弧焊接电源的框图。大体由被点划线包围的电流设定控制模块CC及电源主电路模拟模块OPC构成。下面，参照该图来说明各模块。

电源主电路模拟模块OPC由恒流电源CS和上述的通电路径的电感L(H)及电阻值r(Ω)构成。恒流电源CS通过倒相(inverter)控制、可控硅(thyristor)相位控制而被形成，通过由下述的电流设定控制信号icr设定之值的电流。电感值L为内部的直流电抗器及由外部的电缆围绕产生的电抗器的合计值，是几十～几百μH程度的值。另外，电阻值r是由焊接电源内外的配线引起的电阻，是几十mΩ程度的值。

如上所述，在第二热源模型HSM内构成有电弧负荷模拟部，与电源主电路模拟模块OPC的输出相连接。电弧负荷模拟部是将在实际的焊接装置内利用与进给电动机结合的进给辊5使焊丝1送进焊炬4内并在其与母材2之间产生电弧的情况模型化的部分。因此，向电弧负荷模拟部输入瞬时焊接电流io，就输出瞬时焊接电压vo。

如下述所示，电流设定控制模块CC是将焊接电源的反馈控制系统进行模型化的模块，以上述的瞬时焊接电压vo作为输入并输出上述的电流设定控制信号icr。焊接电压设定电路VR输出预先确定的焊接电压设定信号Vr。电压误差放大电路EV对上述瞬时焊接电压vo与焊接电压设定信号Vr之间的误差进行放大，输出电压误差放大信号ΔV。电压/频率转换电路VF转换为具有与该电压误差放大信号ΔV的值相对应的频率的信号，输出脉冲周期信号Vf。该脉冲周期信号Vf是上述图2中在每个周期(Tp+Tb)中仅短时间成为High电平的信号，其成为峰值期间Tp的开始定时。

如图2(A)所示，在电流设定控制电路ICR的上述的脉冲周期信号Vf成为High电平的情况下，峰值期间设定值Tpr之间成为峰值电流设定值ipr，其后的基础期间中输出成为基础电流设定值ibr的电流设定控制信号icr。根据该信号icr来控制恒流电源CS。

这样进行，就构建了用于构成焊接电源模拟模块PSS的电源主电路模拟模块OPC及电流设定控制模块CC。由于焊接电源的控制电路由软件形成的情况较多，因此，电流设定控制模块CC能够以其软件自身来构建。

根据上述实施方式1，将焊接电源的输出控制模型化后的焊接电源模拟模块与热源模型独立设置，而且在焊接电源模拟模块与热源模型之间使接口明确化，以输入输出瞬时焊接电流及瞬时焊接电压。因此，在已确定了施工所使用的焊接电源的类型的情况下，由于按照将上述的接口规范充足化的方式只要使焊接电源模型化即可，所以，可预先构建焊接电源模拟模块。其结果，能够实现通过焊接电源模拟模块及热源模型的联合可准确地计算出瞬时焊接电流及瞬时焊接电压，并且焊接焊道形状的推断精度高的仿真装置。

(实施方式2)

图4是本发明实施方式2的电弧焊接的焊道形状仿真装置的框图。该图中，对于与上述图1相同的模块赋予相同符号，而省略这些说明。下面，参照该图对不同的模块进行说明。

在第二焊接电源模拟模块PSS2新内置有焊接模拟电源模拟模块数据库DB2。该焊接电源模拟模块数据库DB2储存有与多种机型的焊接电源对应的电源主电路模拟模块OPC及电流控制块CC的数据。在利用输入输出器件IOD选择焊接电源的机型的情况下，从管理模块MB将焊接电源选择信号s2输入到上述的焊接电源模拟模块数据库DB2。焊接电源模拟模块数据库DB2将由该焊接电源选择信号s2选择的焊接电源的模型数据ps1、ps2输出到电源主电路模拟模块OPC及电流设定控制模块CC并进行设定。由此，能够简单地设定要模拟化的焊接电源的模型数据。

根据上述实施方式2，预先准备与多种焊接电源的种类对应的多个焊接电源模拟模块，在已确定了施工中使用的焊接电源时，通过选择与该焊接电源相对应的焊接电源模拟模块，使始终高精度的焊接焊道形状的推断成为可能。

Claims (2)

1、一种电弧焊接的焊道形状仿真装置，具备：计算出从电弧向熔池的输入热量的热源模型、和根据该输入热量通过热传导计算计算出熔池形状而推断焊接焊道形状的熔化区模型，其中，

设置有将输出瞬时焊接电流的焊接电源模型化的焊接电源模拟模块，

所述热源模型包括将以所述瞬时焊接电流作为输入、以瞬时焊接电压作为输出的电弧负荷模型化的电弧负荷模拟部，将该瞬时焊接电压作为反馈信号输入到所述焊接电源模拟模块，同时根据所述瞬时焊接电流及所述瞬时焊接电压计算出所述输入热量。

2、如权利要求1所述的电弧焊接的焊道形状仿真装置，其特征在于：设置有与多种焊接电源的种类对应的多个所述焊接电源模拟模块，当选择焊接电源的种类时就选择对应的一个所述焊接电源模拟模块。

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