CN101262976A - 用于短弧焊的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种短弧焊方法以及设备。根据该方法，在焊丝(21)和母材(20)之间形成电力周期性改变的电弧，电弧通过焊丝(21)的熔滴(22)周期性地发生短路，其中每个焊接循环由短路阶段(14)和燃弧阶段(15)形成，因此短路阶段(12，14)和燃弧阶段(15)都包括大电流脉冲(5，10)和较小电流期间(2，7，12，16)。根据本发明，在各短路阶段(14)的结束部分处形成下降的电流形状(6，7)。

Description

用于短弧焊的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的用于短弧焊的方法。
本发明还涉及一种用于短弧焊的设备。
背景技术
欧洲专利0 324 960公开一种用于短弧焊的方法以及设备，在该方法中，通过在焊丝和母材之间的不断的电流循环来实现焊接。在电流循环中短路阶段和燃弧阶段互相交替，从而在短路阶段中熔滴从焊丝转移到母材，并且在跟随短路阶段的燃弧阶段过程中形成下一熔滴从而在接下来的短路阶段过程中将其转移到母材。在该专利中，在短路响应之后，典型地在与短路电流响应相比具有较低电流的燃弧阶段中包括大电流脉冲。在其余时间，多数为利用电感电流限制而形成的较低的基值电流。此种焊接循环典型地以10-200Hz的频率重复。
这种方案的特殊缺点在于对于电感实现的较低基值电流仅能够进行有限的控制。在这种方案中，基值电流在焊接循环过程中无法改变/控制。这样会显著地使焊接结果变差，尤其是对于要求高的材料。
利用所公开的电路方案使得其它脉冲参数的控制也受到限制，因此在特定条件下焊接结果仍然较差。
为了使该方案可行，所公开的方案需要检测焊料熔滴的颈缩并且需要用于在短路循环结束时使电流快速下降的附加连接装置。这些附加连接装置使得设备更加复杂并易于发生故障。必需连接到工件的测量引线造成操作者的额外工作。
发明内容
本发明意图消除上述所公开的技术状态的缺陷，并为此目的而建立全新类型的用于短弧焊的方法和设备。
本发明基于借助主动调节参数所形成的每个电流循环，因此容许具体调节总体的脉冲形状。
在本发明的一个优选实施方式中，特别地，利用变化的电流实现短路阶段的结束部分，而无需测量焊料熔滴的颈缩时刻。
更具体地，根据本发明的方法的特征通过权利要求1的特征部分来描述。
接下来，根据本发明的设备的特征通过权利要求9的特征部分来描述。
借助本发明可获得很多优点。利用多参数控制可取得对于不同材料及保护气体的焊接情况的精确调节。由于不用测量填充金属熔滴的颈缩时刻从而消除了焊接过程中的错误的一个可能来源。
借助受控的变化电流来终止短路循环可以将下落的熔滴所引起的飞溅减至最少。
在本发明的优选实施方式中，借助基于焊丝进给大小、待焊接的材料、焊料以及保护气体的协同作用，通过选择短路过程中的正确电流脉冲以及该方法的其它参数值，可在短路阶段的电流下降的过程中取得破断电流。因此，能够取得下面的以及其它的优点。
在焊接过程之前所测得的实时数据——例如短路循环期间的测量数据或者燃弧阶段长度的测量数据——能够用来稳定焊接过程，并因此用来精确调节用于控制的多参数控制参数。
与普通的短弧焊过程相比，通过本发明的优选实施方式所取得的优点如下：不飞溅、产生热量少、更好地控制熔池和根部熔深以及较高的焊接速度。
该技术与已知方案相比较为简单。不需要复杂且易受干扰的借助连接到工件的电缆来测量颈缩的电子设备。另外，不需要快速的电流下降切换。
附图说明
下面将通过示例并参照附图对本发明进行描述。
图1示出在单个焊接循环过程中根据本发明的一个脉冲形式。
图2a-2d示出在焊料熔滴与焊丝脱离的不同阶段的示意性侧视图。
图3示出在根据本发明的方法中理想的熔滴向焊池移动的侧视图。
图4示出在根据本发明的方法中的在短路阶段之后的燃弧阶段的侧视图。
具体实施方式
根据图1，在本发明中，借助于焊接电源的软件对电流波形和电压波形以及影响它们的参数进行优化，从而优化短弧焊的短路阶段以及产生短弧的燃弧阶段。根据用于根部焊道的焊接构想，此处给出了理论电流曲线。新的电流曲线形状可以参照脉冲短弧。
新的电流曲线的操作是借助于理论和试验来设计，并且新的脉冲短弧焊接过程中的操作的特殊区域对应于各个参数。
根据本发明的短弧过程非常适合于根部焊道焊接。在焊接过程中，其重点在于以数字方式形成来自电源的电流曲线和电压曲线。在改进的根部焊道焊接波形中，在燃弧阶段过程中期望在填充金属的焊丝和工件之间开始短路。一旦短路开始，首先增大电流并保持在该电平一段时间，该时间由焊接情况的材料和送丝速度决定，并且之后将电流降低到较低电平。当电流位于较低电平时，熔滴颈缩至脱离填充金属焊丝的端部并转移到熔池。
当填充金属焊丝与填充金属焊丝的端部脱离时，焊接过程移至燃弧阶段。在该阶段的起始处，当电弧点燃时电压升高。由于焊接电源调节速度较慢，所以其最初的功率仅能以有限的速度改变。这就表示，当电压升高时，电流首先下降到低于燃弧阶段之前的水平。在由于焊接电源调节较慢而引起的延迟之后，电弧的功率以所需的速度增大至所需的水平，由此已经转移到熔池的填充金属熔滴和熔池变形以产生所需的根部熔深。
通过利用所选定的最优的电流曲线形状，熔滴脱离并转移至焊接熔池的过程不会发生飞溅。
在开发工作中，利用了十二个参数来调整电流曲线的形状。每个参数就其自身部分而言影响着焊接过程中的电弧的状态。除此之外，在图1中标示出短路期间14和燃弧期间15，在该文献中燃弧期间15也称作电弧燃烧期间。结合图2a-2d来分析图1，图2a-2d具体图示出熔滴22从焊丝20至母材21的脱离过程。图2a示出短路阶段14恰好开始时的情形，此时熔滴22与母材21内的熔池形成短路。在图2b中，该情形处于短路阶段14的结束阶段，而在图2c中，燃弧阶段15刚开始。接下来图2d示出燃弧阶段15结束时的情形——熔滴22与母材21即将形成短路之前，此时处于燃弧阶段15的低电流期间16。改变图1的各参数1......12：a以使焊接电弧理想化。在短路阶段14中，在基值电流(RW基值电流1)1的电平处能够增加或减少母材21的热量。因此，基值电流1为能够设定到所需电平的可调参数。RW熔湿时间2限定为在电流增大之前用于截获填充金属熔滴22的时间。图2a位于该时期。在短路阶段14中，借助于洛伦兹(Lorentz)力——即颈缩力——来限定填充金属熔滴22从填充金属焊丝的末端至熔池的转移。参数3......6就用于该目的。图3中清楚地示出理想的洛伦兹力。RW1分离时间5限定为电流处于电平4的时间。设定RW1颈缩电流的电流电平4以及其在RW1分离时间5的过程中的持续时间使得填充材料的一部分能够转移到熔池并且颈缩力能够开始生效。RW1破断电流6给出在电流增大之后的电流下降到的电平。在该部分中，试图将填充金属熔滴转移到熔池。图2b处于该时期中，并且图2c示出在颈缩刚刚结束之后的时刻。在该方法中，期望熔滴22在阶段7颈缩。在该短路过程中并不像在已知过程中试图通过测量电压来检测熔滴22的颈缩。熔滴22可在电流电平达到RW1破断电流6之前或者电流电平达到RW1破断电流6时转移到母材21。根据该控制及其相关的电源电路，电流的下降波形能够为线性、图中所示的指数形或者以上形状的组合。因此，可将电流指引至电平6。在这种情况下，电流并没有立即下降，而是期望在破断时间7的时期中使熔滴22颈缩脱离。借助于电压的快速增加而检测出短路阶段的终止。
图3是示出在该过程中发生的力的作用下理想的熔滴22至熔池转移的照片。在该附图的情况下，母材为EN 14301/AISI 304，填充材料为EN 12072-22G19123LSi(1.0mm)，保护气体为69.5％Ar+30％He+0.5％C02，以及焊接姿势为PG。
在填充金属熔滴22转移之后，短路终止并且焊弧重新点燃，其后利用脉冲电流形成电弧。这被称为整形脉冲。借助整形脉冲(参数8......10)将填充金属熔滴22推进熔池并使之与熔池良好混合，并因此形成根部焊道的必需熔深。
设置RW1形成速度8以及RW1形成电流9，RW1形成速度8限定电流增加的速度，并且RW1形成电流9限定用以增强电弧所输送的能量的电流电平。RW1形成时间10限定脉冲焊弧——即整形脉冲——的时间。通过改变参数8......10可以影响焊弧，并因此影响焊接过程中的被焊接材料21以及填充金属焊丝20的状态。
与普通的短弧焊相比，图4中的脉冲电流形成软电弧。当空气隙增大时，改变这些参数以使焊弧变宽，因此容许更容易地控制熔池。当空气隙减小时，改变这些参数以产生更集中的电弧。
在低电流时期16中，在设定的时间RW基值时间111之后，通过使基值电流电平1进一步下降到所需电平RW基值电流212能够防止填充金属熔滴在填充金属焊丝的端部处过度增大。该部分仅在如果低电流时期的持续时间超过设定的极限11时出现。
在图4中，当电弧燃烧之后，在不转移填充材料并且不会引起飞溅的情况下使整形脉冲推动熔池，母材为EN 14301/AISI 304，填充材料为是EN 12072-22G19123LSi(1.0mm)，保护气体为69.5％Ar+30％He+0.5％CO2，以及焊接姿势为PG。

Claims (16)

1.一种短弧焊方法，在所述方法中：
在焊丝(20)和母材(21)之间形成电力周期性改变的电弧，所述电弧通过所述焊丝(20)的熔滴(22)周期性地发生短路，
每个焊接循环由短路阶段(14)和燃弧阶段(15)形成，所述短路阶段(14)和所述燃弧阶段(15)都包括大电流脉冲(5，10)和小电流期间(2，7，12，16)，
其特征在于
在每个所述短路阶段(14)的结束部分处形成下降的电流形状(6，7)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，短路响应的初始部分为大电流脉冲，所述大电流脉冲是分离所述填充金属熔滴(22)所需能量的重要部分。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在电流电平充分低至实现无飞溅处使所述填充金属熔滴(22)发生脱离。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在开始所述短路阶段(14)之前基于所述材料、保护气体以及送丝速度来限定所述短路阶段的结束部分的参数(2，3，4，5，6)。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测量所述短路阶段(14)的长度，并且所测得的数据用于调整接下来的燃弧阶段和短路阶段的参数(1，2，3，4，5，6，8，9，10，11，12)。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测量所述燃弧阶段(14)的长度，并且所测得的数据用于调整接下来的短路阶段和燃弧阶段的参数(1，2，3，4，5，6，8，9，10，11，12)。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述燃弧阶段(15)开始时利用脉冲电流(8，9，10)形成熔池。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述燃弧阶段(15)开始时利用多参数(8，9，10)的脉冲电流形成所述电弧。
9.一种短弧焊设备，所述设备包括：
用于在焊丝(20)和母材(21)之间形成电力周期性改变的电弧的装置，所述电弧通过所述焊丝(20)的熔滴(22)周期性地发生短路，
每个焊接循环由短路阶段(12，14)和燃弧阶段(15)形成，所述短路阶段(14)和所述燃弧阶段(15)都包括大电流脉冲(5，10)和小电流期间(2，7，12，16)，
其特征在于，所述设备包括
用于在每个所述短路阶段(14)的结束部分处形成下降的电流形状(6，7)的装置。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于以大电流脉冲形成短路响应的初始部分的装置，所述大电流脉冲是分离所述填充金属熔滴(22)所需能量的重要部分。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在电流电平充分低至实现无飞溅处执行使所述填充金属熔滴(22)脱离的装置。
12.如权利要求9、10或11所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在开始所述短路阶段(14)之前基于材料、保护气体以及送丝速度来限定所述短路阶段的结束部分的参数(2，3，4，5，6)的装置。
13.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于测量所述短路阶段(14)的长度的装置以及用于利用所测得的数据来调整接下来的燃弧阶段和短路阶段的参数(1，2，3，4，5，6，8，9，10，11，12)的装置。
14.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于测量所述燃弧弧阶段(14)的长度的装置以及用于利用所测得的数据来调整接下来的短路阶段和燃弧阶段的参数(1，2，3，4，5，6，8，9，10，11，12)的装置。
15.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在所述燃弧阶段(15)开始时利用脉冲电流(8，9，10)形成熔池的装置。
16.如前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在所述燃弧阶段(15)开始时利用多参数(8，9，10)的脉冲电流形成所述电弧的装置。
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