CN101274384B - 消耗电极式气体保护电弧焊控制装置及焊接控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供消耗电极式气体保护电弧焊控制装置及焊接控制方法。在消耗电极式气体保护电弧焊中，求得焊接电压或电弧电阻的二阶微分值，以该二阶微分值为基础，检测熔滴的脱离或其即将脱离。然后，在测定出熔滴脱离或其即将脱离后，立即切换为比检测时的电流低的规定电流。通过如此进行控制，即使在焊接中使焊接条件变化以及焊丝突出长度变化时，也能够正确地检测熔滴的脱离。
Description
技术领域
本发明涉及在保护气体气氛中使用消耗电极进行电弧焊的消耗电极式气体保护电弧焊控制装置及焊接控制方法。
背景技术
在消耗电极式气体保护电弧焊中，随着电极丝的消耗，在焊丝前端形成熔滴，该熔滴边受到重力、电弧反作用力、电磁收缩力、表面张力等各种力边成长，之后脱离，过渡到熔池中。但是，其成长过程极不稳定，当溶滴过度抬起而变形时，则会受到电弧反作用力的影响并脱离，从而无法向焊丝延长方向的熔池过渡，而是作为大粒的飞溅飞散。因此，熔滴过渡周期变得不规则，这会使熔池的举动不规则，助长上述的现象。另外，熔滴在脱离后，电弧过渡到焊丝时，会吹飞残留在焊丝前端的熔液，导致小粒飞溅发生。这样的飞溅发生现象，特别是以二氧化碳单体或含有二氧化碳的混合气体作为保护气体而使用时·以高电流焊接时容易发生，该飞溅会使焊接结构物的品质劣化。
针对这一问题点，在美国专利第5834732号所公开的现有技术中，涉及到一种使用了以二氧化碳为主成分的保护气体的脉冲电弧焊的输出控制装置，其通过电压或阻抗的增加来检测熔滴脱离，从检测期间到一定期间通过使电流降低来控制飞溅。具体来说，在该专利公报中，将检测电压或检测阻抗与基准电压或基准阻抗进行比较，检测电压或检测阻抗超过基准电压或基准阻抗时输入检测信号，以及在检测电压或检测阻抗的微分值超过设定值时输出检测信号。
然而，在上述现有的控制装置及方法中，当在焊接中使焊接条件变化以及焊丝突出长度变化时(例如在坡口内的摆动焊等)，却不能正确地检测熔滴的脱离。这样的检测失误在高电流区域多。因此，在特别期望降低飞溅的高电流区域，最终却不能降低飞溅，检测失误反而使飞溅增大，致使焊接结构物的品质劣化。
另外，一般熔滴脱离时的电压水平及其倾向因每次的熔滴过渡而不同。另一方面，在预先设定作为比较的一定基准值时，若将该基准值设定得低，则检测失误高。因此，不得不将作为比较的基准值设定得高，在熔滴脱离后，通过电弧从熔滴向焊丝移动时的电弧长的大大上升来进行熔滴脱离的判定。即，在该现有技术中，是在熔滴完全地脱离后再控制波形。这种情况下，紧接熔滴脱离之后的电弧移动到焊丝的瞬间处在脱离时的高电流值的状态，仍不能解决吹飞残留在焊丝前端的熔液而致使小粒飞溅发生这一问题。另外，采用该方法也不能充分防止熔滴脱离的检测失误。
发明内容
本发明鉴于这一问题而做，其目的在于，提供一种焊接控制装置及焊接控制方法，即使在焊接中使焊接条件变化以及焊丝突出长度变化的情况下(例如摆动焊的情况下)，也能够正确地检测熔滴的脱离，并且根据作为比较对象的规定基准值的设定，还能够检测到熔滴的即将脱离，由此，在熔滴脱离的检测后，切换为比检测时的电流要小的电流，从而在中·高电流区域也能够防止飞溅的发生，此外还能够使焊接结构物的品质提高。
本发明的焊接控制装置，是控制消耗电极式气体保护电弧焊的焊接电流的焊接控制装置，所述焊接控制装置能够不受焊丝突出长度的变化的影响地检测熔滴脱离，所述焊接控制装置由如下构成：运算部，其对焊接中的焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2、或焊接中的电弧电阻的时间二阶微分值d2R/dt2进行运算，其中，通过所述运算部求出的值实质上不受焊丝突出长度的变化的影响；检测部，其在所述运算部所运算的值超过规定的阈值时，在所有的焊丝突出长度中，检测熔滴的脱离或即将脱离并输出熔滴脱离检测信号；波形生成器，其根据所述熔滴脱离检测信号控制熔滴脱离后的焊接电源波形；以及输出控制部，其根据所述波形生成器输出的波形控制信号输出焊接电流，在此，所述波形生成器在被输入所述熔滴脱离检测信号时，在规定期间向所述输出控制器输出波形控制信号，以使焊接电流成为比检测时刻的焊接电流值低的焊接电流值。
还有，被所述检测部设定的阈值，是通过利用高速摄影机的观察和波形同期计测实验，求得伴随着熔滴脱离现象的由所述运算部运算的二阶微 分值，并设定的适当值。检测部将由该运算部运算的二阶微分值与阈值进行比较，检测熔滴脱离。
本发明的焊接控制方法，是运用消耗电极式气体保护电弧焊法而进行焊接时的焊接控制方法，所述焊接控制方法能够不受焊丝突出长度的变化的影响地检测熔滴脱离，所述焊接控制方法包括如下工序：对气体保护电弧焊的焊接中的焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2、或焊接中的电弧电阻的时间二阶微分值d2R/dt2进行运算的工序，其中，通过该运算工序求出的值实质上不受焊丝突出长度的变化的影响；当在所述运算工序中运算的值成为规定值以上时，在所有的焊丝突出长度中，检测熔滴是否已经脱离或熔滴是否即将脱离的工序；当检测到熔滴已经脱离或处于即将脱离的状态后，将焊接电流切换为比该检测时刻的电流值低的电流值的工序。
在本发明中，例如焊接电流及焊接电压呈现脉冲波形，可由脉冲造成的电磁收缩力而使熔滴脱离。
另外，作为保护气体，能够使用CO2气体。
本发明采用焊接电压或电弧电阻的二阶微分值，检测熔滴的脱离或其即将脱离，在检测出熔滴的脱离或即将脱离后，即刻切换成比检测时刻的电流低的规定电流，因此，即使是在焊接中使焊接条件变化以及焊丝突出长度变化的情况下(例如摆动焊等)，也能够正确地检测熔滴的脱离，并且根据作为比较对象的规定基准值的设定，还能够检测到熔滴的即将脱离，检测后，通过立即切换成比检测时刻的电流低的规定电流，由此，在中·高电流区域能够实现大幅的飞溅降低，能够使焊接结构物的品质提高。
附图说明
图1是说明本发明的原理的图。
图2是表示本发明的第一实施方式的焊接控制装置的方块图。
图3是表示本发明的第二实施方式的焊接控制装置的方块图。
图4(a)、(b)表示实施例1的焊接电流·电压波形、焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2，电弧电阻的时间二阶微分值d2R/dt2，脱离检测信号波形的曲线图。
图5(a)、(b)是表示实施例2的焊接电流·电压波形、焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2，脱离检测信号波形的曲线图。
图6是表示脉冲波形的图。
图7是表示焊接中对于10秒的整个熔滴过渡的脱离检测成功率的曲线图。
具体实施方式
熔滴脱离时，存在于焊丝前端的熔滴的根部缩颈，该缩颈进行的结果是焊接电压及阻抗上升。另外，若熔滴脱离，则电弧长度变长，因此焊接电压及阻抗上升。然后，这些时间微分值当然也会上升。熔滴开始缩颈至脱离之间，焊接电压及阻抗与它们的微分值通常上升。因此在现有技术中，检测它们并加以运算，通过将其结果与规定的阈值比较，由此判定熔滴的脱离。
但是，若以这样的焊接电压及阻抗的测定值本身和它们的微分值为基础来判断熔滴的脱离，则在焊接进行中使焊接条件变化时以及焊丝突出长度变化时(例如，坡口内的摆动焊等)，则不能正确地检测熔滴的脱离。例如，使焊接中焊丝突出长度，即，使焊嘴-母材间距离变化时的熔滴脱离时的电压变化显示在图1(a)中。焊嘴-母材间距离短时，电压的上升缓慢，焊嘴-母材间距离长时，电压的上升变得急剧。另外，电压值水平本身也有所不同。因此，电压的时间微分值(dv/dt)也如图1(b)所示而有所不同。这在电弧电阻中也一样。即，焊丝突出长度在焊接中变化时，熔滴的脱离造成的电压的变化或电弧电阻的变化，和突出长度的变化造成的电压的变化或电弧电阻的变化重复，用同样的判定标准不能正确地检测熔滴的脱离。另外，在焊接中使电流·电压等的焊接条件变化的情况也一样，在使用电压值及电弧电阻值水平自身及其时间微分值的方法中，不能正确地检测熔滴的脱离。
另一方面，图1(b)的线段的倾斜，即焊接电压或电弧电阻的二阶微分值，如图1(c)所示大体为同一值。该二阶微分值不会受到焊接丝突出长度等的焊接条件很大影响。在本发明中，因为是通过运算焊接中的焊接电压或电弧电阻的时间二阶微分值，检测熔滴的脱离或即将脱离，在检测之后即刻使熔接电流变低，如此来进行控制，因此不受焊接中的焊接条件的变化影响，从而能够正确地检测熔滴的脱离。
以下，对于本发明的实施方式的焊接控制装置的具体的装置构成进行 说明。图2是表示本发明的第一实施方式的焊接控制装置的方块图。本实施方式使用的是焊接电压的时间二阶微分值。在3相交流电源(未图示)上连接输出控制元件1，该输出控制元件1所施加的电流，经由变压器(trans)2、由二极管(diode)构成的整流部3、直流电抗器(reactor)8及检测焊接电流的电流检测器9，被施加于导电嘴(contact tip)4。被焊接材7被连接到变压器2的低位电源侧，在插通导电嘴4内而被给电的焊丝5和被焊接材7之间，焊弧6生起。
导电嘴4和被焊接材7之间的焊接电压，由电压检测器10检测并被输入到输出控制器15。此外，来自电流检测器9的焊接电流的检测值也被输入到输出控制器15，输出控制器15依据焊接电压及焊接电流，控制向焊丝5给电的焊接电流及焊接电压。
由电压检测器10检测的焊接电压，被输入到熔滴脱离检测部18的焊接电压微分器11，在焊接电压微分器11中运算时间一阶微分。其次，该焊接电压的一阶微分值被输入到二阶微分器12，在该二阶微分器12中运算焊接电压的时间二阶微分。其后，该时间二阶微分值被输入到比较器14中。在二阶微分值设定器13中，输入并设定有二阶微分设定值(阈值)，比较例14将来自二阶微分器12的二阶微分值与来自二阶微分值设定器13的设定值(阈值)进行比较，在二阶微分值超过设定值的瞬间输出熔滴脱离检测信号。该二阶微分值超过设定值的瞬间被判定为熔滴从焊丝端脱离，或者即将脱离。
该熔滴脱离检测信号被输入到波形生成器20，在波形生成器20中，熔滴脱离后的焊接电流波形受到控制，输出矫正信号被输入到输出控制器15。该波形生成器20若被输入熔滴脱离检测信号，则在波形生成器20所设定的期间，将使焊接电流值比检测时的焊接电流值低，并以此方式向输出控制器15输出控制信号(输出矫正信号)。波形设定器19，在波形生成器20中，输入输出矫正信号的输出期间及使焊接电流降低的程度，通过波形设定器19，输出矫正信号的输出期间及使焊接电流降低的程度被设定在波形生成器20上。
在此，熔滴脱离检测信号是在检测出熔滴的脱离或临脱离时输出的信号。在熔滴脱离时，存在于焊丝前端的熔滴的根部发生缩颈，该缩颈进行 的结果是焊接电压及阻抗上升。另外，若熔滴脱离，则电弧长变长，因此焊接电压及阻抗上升。由电压及阻抗值或它们的微分值对此加以检测时，焊接中若焊接条件变化，则受到该焊接条件变化的影响，熔滴脱离检测部频发错误检测，使飞溅增大。但是，利用本方式的二阶微分值进行检测时，即使在焊接中焊接条件发生变化，也不会受到该变化的影响，而是能够正确地检测熔滴的脱离。另外，如果用二阶微分值设定器13设定相当于熔滴即将脱离的缩颈造成的电压或电弧电阻的变化的二阶微分值，则能够检测熔滴临脱离，从而能够控制熔接波形，因此能够完全消除将残留在焊丝前端的熔液吹飞使小粒飞溅发生这一问题。
如此，对于检测熔滴的脱离或即将脱离之后的输出矫正进行说明。由波形设定器19设定电流·电压等需要的参数。输出控制器15，通过输入来自电流检测器9、电压检测器10、波形生成器20的信号，并控制输出控制元件1，由此控制电弧。熔滴脱离检测信号没有被输入波形生成器20时，电流检测器9的检测电流及电压检测器10的检测电压成为由波形设定器1 9设定的电流·电压的方式，并以此方式向输出控制元件1输出控制信号。波形生成器20若输入熔接脱离检测部18的熔滴脱离检测信号，则由波形设定器19设定的期间，以成为由波形设定器19设定的焊接电流的方式将输出矫正信号输出给输出控制器15。因为这时的焊接电流比检测时的焊接电流低，所以推起熔滴的电弧反作用力变弱，熔滴不会从焊丝延长方向大幅反回，而是移动到熔池中。因此熔滴难以作为飞溅而飞散。
其次，特别对于焊接电流·电压呈现脉冲波形，由脉冲造成的电磁收缩力使熔滴脱离的情况进行说明。图6是表示该脉冲波形的一例的图。由波形设定器19设定脉冲波峰电流(Ip1、Ip2)、脉冲宽度(Tp1、Tp2、Tb1、Tb2)、波谷电流(Ib1、Ib2)等需要的脉冲参数。输出控制器15，通过输入来自电流检测器9、电压检测器10、波形生成器20的信号，以控制输出控制元件1，由此控制脉冲电弧。熔滴脱离检测部18只在脱离检测许可信号从波形生成器20被输入期间视脱离检测为有效。熔滴脱离检测信号没有被输入波形生成器20时，电流检测器9的检测电流及电压检测器10的检测电压成为由波形设定器19设定的脉冲形状，并以此方式向输出控制元件1输出控制信号。所述熔滴脱离检测信号被输入到波形生成器20 时，由波形设定器19设定的期间，以成为由波形设定器19设定的焊接电流的方式将输出矫正信号输出给输出控制器15。因为这时的焊接电流比检测时的焊接电流低，所以滴难以作为飞溅而飞散。若由波形设定器19设定的输出矫正期间结束，则以成为由波形设定器19设定的脉冲形状的方式再对电流·电压波形进行控制。
如此，在由脉冲带来的电磁收缩力使熔滴脱离的情况下，作为保护气体在使用以氩等惰性气体为基础的混合气体时，因为每一次脉冲造成一个熔滴过渡，所以在整个脉冲期间的脉冲波峰期间及从波峰期间向波谷期间过渡途中的坡度(slope)期间进行熔滴脱离检测即可。另外，作为保护气体使用100％CO2时，会交替输出脉冲波峰电流及脉冲宽度不同的两种脉冲波形，这两种脉冲波形分担着使熔滴脱离的作用和使熔滴形成的作用。这种情况下，在使熔滴脱离的脉冲的脉冲波峰期间及从波峰期间向波谷期间过渡的途中的坡度期间，与使用混合气体的情况同样地进行熔滴脱离检测即可。
图3是表示本发明的第二实施方式的焊接控制装置的方块图。本实施方式的熔滴脱离检测部18设置了电弧电阻微分器17，替换了焊接电压微分器11。电压检测器10及电流检测器9的输出被输入到电弧电阻计算器16，在电弧电阻计算器16中，通过用电流除以电压计算出电弧电阻。该电弧电阻的计算值被输入到电弧电阻微分器17，由电弧电阻微分器17进行1次微分后，在二阶微分器12中被二阶微分。该电弧电阻的二阶微分值在比较器14中，与从二阶微分设定器14被输入的二阶微分设定值(阈值)进行比较，在电弧电阻的二阶微分值超过设定值的瞬间，熔滴脱离检测信号被输出。
本实施方式也起着与图2所示的实施方式同样的作用效果。
【实施例】
接下来，对于用于证实本发明的效果而进行的焊接试验的结果加以说明。
(实施例1)
使用图2及图3所示的第一及第二实施方式的焊接控制装置，作为消耗电极丝，使用焊丝径1.2mm的实芯焊丝，作为保护气体使用MAG (80％Ar+20％CO2)气体，进行气体保护电弧焊。这时的焊接电流·电压波形、焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2、电弧电阻的时间二阶微分值d2R/dt2、脱离检测信号波形显示在图4(a)、(b)中。焊接条件为，平均电流240A，平均电压30～32V，焊接速度30cm/分，焊丝突出长度25mm。
在图4(a)中显示的是，捕捉d2V/dt2或d2R/dt2的变化，在紧接脱离检测信号被输出之后，将焊接电流切换为120A，经过2.0ms后又回到原电流(240A)的状态。另外，图4(b)是检测出熔滴的临脱离的例子，显示是，捕捉d2V/dt2或d2R/dt2的变化，在紧接脱离检测信号被输出之后，将焊接电流切换为120A，经过7.0ms后又回到原电流(240A)的状态。如电压波形中的箭头所示，可知在切换为120A后熔滴的脱离进行。
(实施例2)
使用第一及第二实施方式的焊接控制装置，作为消耗电极丝，使用焊丝径1.2mm的实芯焊丝，作为保护气体使用CO2，进行脉冲电弧焊。该焊接中的焊接电流·电压波形、焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2、脱离检测信号波形显示在图5(a)、(b)中。另外，图2表示该脉冲波形。如该图6所示，脉冲波峰电流Ip1、Ip2及脉冲宽度Tp1、Tp2为不同的两种脉冲波形会交替输出，图5中的第一脉冲(Ip1、Tp1)使熔滴脱离，图5中的第二脉冲(Ip2、Tp2)使熔滴形成，由此每一周期能够实现1个熔滴过渡。在第一脉冲的波峰期间或下降坡度期间，输出熔滴脱离许可信号，在检测出熔滴的脱离或其即将脱离后，立刻切换成比检测时的电流低的规定电流。在此，采用平均电流300A、平均电压35～36V、焊接速度30cm/分、焊丝突出长度25mm的焊接条件。图5(a)中，捕捉d2V/dt2的变化(箭头所示)，在脱离检测信号被输出后，即刻切换成比检测时的电流低的150A。另外，图5(b)是检测出熔滴的临脱离的例子，如电压波形中的箭头所示，可知在切换成比检测时的电流值低的150A后，熔滴的脱离进行。
(实施例3)
使用图2及图3所示的焊接控制装置，作为消耗电极丝，使用焊丝径1.2mm的实芯焊丝，进行作为保护气体使用MAG(80％Ar+20％CO2)气体的保护气体电弧焊，及使用100％CO2气体的脉冲电弧焊。在向下堆焊 中，以摆动宽度6.0mm、摆动频率2Hz的条件进行焊接，焊接中，时刻在焊丝突出长度变化的状况下，比较现有技术(由电压的时间微分值dV/dt进行检测)与本发明(同电压的时间二阶微分值d2V/dt2进行检测)的熔滴脱离检测成功率。平均电流为300A，电压根据各保护气体设定为适当电压，焊接速度及焊丝突出长度与实施例1及实施例2相同。使用高速摄影机图像和电流·电压波形、脱离检测信号波形的同期计测，针对焊接中10秒中的整个熔滴过渡，求得脱离检测成功率。其结果显示在图7中。作为保护气体使用MAG(80％Ar+20％CO2)气体的保护气体电弧焊及使用100％CO2气体的脉冲电弧焊任一种焊接法中，本发明中脱离检测成功率均大幅提高。
Claims (5)
1.一种焊接控制装置，其控制消耗电极式气体保护电弧焊的焊接电流，其特征在于，所述焊接控制装置能够不受焊丝突出长度的变化的影响地检测熔滴脱离，所述焊接控制装置包括：
运算部，其对焊接中的焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2、或焊接中的电弧电阻的时间二阶微分值d2R/dt2进行运算，其中，通过所述运算部求出的值实质上不受焊丝突出长度的变化的影响；
检测部，其在所述运算部所运算的值超过规定的阈值时，在所有的焊丝突出长度中，检测熔滴的脱离或即将脱离并输出熔滴脱离检测信号；
波形生成器，其根据所述熔滴脱离检测信号控制熔滴脱离后的焊接电源波形；以及
输出控制部，其根据所述波形生成器输出的波形控制信号输出焊接电流，
在此，所述波形生成器在被输入所述熔滴脱离检测信号时，在规定期间向所述输出控制部输出波形控制信号，以使焊接电流成为比检测时刻的焊接电流值低的焊接电流值。
2.根据权利要求1所述的焊接控制装置，其特征在于，焊接电流及焊接电压呈现脉冲波形，并且，由脉冲产生的电磁收缩力使熔滴脱离。
3.一种焊接控制方法，是利用消耗电极式气体保护电弧焊法进行焊接时的焊接控制方法，其特征在于，所述焊接控制方法能够不受焊丝突出长度的变化的影响地检测熔滴脱离，所述焊接控制方法包括：
对气体保护电弧焊的焊接中的焊接电压的时间二阶微分值d2V/dt2、或焊接中的电弧电阻的时间二阶微分值d2R/dt2进行运算的工序，其中，通过该运算工序求出的值实质上不受焊丝突出长度的变化的影响；
当在所述运算工序中运算的值成为规定值以上时，在所有的焊丝突出长度中，检测熔滴是否已经脱离或熔滴是否即将脱离的工序；
当检测到熔滴已经脱离或处于即将脱离的状态后，将焊接电流切换为比该检测时刻的电流值低的电流值的工序。
4.根据权利要求3所述的焊接控制方法，其特征在于，焊接电流及焊接电压呈现脉冲波形，并且，由脉冲产生的电磁收缩力使熔滴脱离。
5.根据权利要求3所述的焊接控制方法，其特征在于，作为保护气体使用CO2气体。
Applications Claiming Priority (2)
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