CN101296773A - 用于mig/mag焊接的控制方法和适用于该方法的焊接设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在焊条端部(7’)和工件(8)之间存在短路熔滴的MIG/MAG焊接的控制方法和焊接设备。该方法包括确定短路时间、确定燃弧时间和控制供给焊条(7)的能量。以下面的方式控制能量供给：即如果总周期时间内的所测量的短路时间超过规定的可调设定值，则能量供给增加；如果所述短路百分比低于所述设定值，则能量供给减少，其中所述周期时间为短路时间和燃弧时间的总和。

Description

用于MIG/MAG焊接的控制方法和适用于该方法的焊接设备
技术领域
本发明主要涉及在适于进行MIG/MAG焊接的焊接设备中对短弧焊工艺的控制。更具体地说，本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的方法和如权利要求14的前序部分所述的焊接设备。
背景技术
在通常被称为MIG/MAG焊接的连续地输送的焊条发生熔化的气体保护金属极电弧焊中，工件主要由电弧进行加热。当焊接电流通过焊条的突出部分，即通过在导电嘴之间的自由焊条的末端的时候，在那里电流流入焊条引发电弧，所以焊条部分由电力加热，部分由电弧本身加热。对焊接过程进行基本控制的目的在于实现焊条的熔化速度与焊条的给进速度相对应。控制的进一步目的可以是，例如，影响传递给工件的热量。
在三种情形之一下进行MIG/MAG焊接。在短弧焊中，材料从焊条传输到工件是通过大量的熔滴转移而发生的，其大体在图2中公开。由于此过程在于交替的电弧和短路熔滴转移，因此焊条和工件之间的平均电压降低，因而对母材的热传递将保持适度。当供给功率增加时，一次进入混合弧区域，其中材料传输通过短路和非短路熔滴而发生。结果导致产生具有很多焊接溅射和焊接烟雾的不稳定电弧。在此区域的焊接通常是可避免的。在足够高的供应功率下，过程进入喷射区域，其中在没有短路的情况下材料传输通过细小分散的熔滴。溅射量明显低于短弧焊。在此对母材的供热将变大并且该方法主要适于厚工件。
第三种情形称为脉冲焊，是指利用先行控制的焊接方法借助于适当的电流脉冲控制熔滴的适当截断。每个脉冲截断一个熔滴并将熔滴充分变小而不发生短路。此方法具有从喷射区域形成少的焊接溅射而不损失大量热传递的优点。在下文中，根据短弧方法适于MIG/MAG焊的设备被考虑。这里的状态在焊丝端(焊条端)和工件之间的短路和电弧两种状态中交替变化。焊接电源的动态性能和校准一起确定短路的时间。在正常焊接期间各短路应当是0.5-40毫秒。动态性能可由焊接变压器、感应器和电路中的内在电阻以及感应器的电感范围决定。在现代焊机中，感应器经常为电子类，即包括硬件和软件的过程调节器。这样是为了能在持续期间改变焊接过程开始时的动态性能。焊机的动态性能决定在焊接过程中可以多快地控制和调节焊接电流。过程调节器因而给与特性，其根据在短路期间在过程调节器中限定的电流增加率可影响各单独的短路过程。
焊机的静态特性主要由过程调节器中的所述内部电阻或其等同物限定。焊机中电源的静态特性必须适合于焊机将进行的焊接方法。适合于短弧焊的MIG/MAG焊机被认为是具有微量递减特征的恒压电源，正常为3V/100A。这可以与改为电流恒定的TIG焊机相比较。
在更简单的焊机中，具有用于焊条送进速度的选择旋钮，和用于从焊机中的焊接变压器的几个电压输出口中选择其一的选择旋钮。这可以由用于控制半导体开关元件上的点火角的操纵轮所替代，其用来产生焊接电压。在新型的逆变焊机中，可以极其精确的控制焊接电压。具有开关式电源和晶体管控制的微处理机的新型逆变技术，与具有半导体开关元件或阶跃控制变压器的适于各焊接方法和焊接情形的其他电源构造相比，可提供对静态特性和动态特性更快速、更精确的控制。
众所周知的问题是：与各焊条的给进速度相匹配的电压参照值取决于焊条材料、焊条尺寸和保护气体类型这些因素。为了改变如上所述的影响因素的综合值，当今焊机的一般操作包括在焊机的控制计算机中，以用于各种焊条给进速度的适当的焊接参数的形式来实现所谓的最优方案排列。产生用于所有综合影响因素的上述排列表现为试焊和记录形式的大量工作。另外，材料的质量可能在不同的输送中改变并导致先前已试验过的最优方案排列不再起作用的事实。此外，现在销售的保护气体具有厂商命名而无指定的气体成分。同样，这导致适于所有焊接情形的预先确定的大量最优方案排列产生了问题。由于厂家虽未通知但气体或焊条的成分也许已变化，连明显同一焊接情形的最近重现也无法成功。明显地，这导致在焊接新的批次时易出故障的不确定因素。
另一个问题是到目前为止所述方法在改变焊炬触头和工件之间的距离上无法给出统一的焊接结果，例如，在点固焊和转角的区域通道期间。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于进行短弧焊的方法和装置，所述方法和装置可以完全地或部分地补救现有技术中存在的上述问题。
该目的是通过在方法独立权利要求1的特征部分中所限定的方法步骤和设备独立权利要求14的特征部分中所限定的装置而实现的。
在从属权利要求中限定了有利的具体实施例。
本申请所介绍的调节器用于使短路时间占周期时间的百分比恒定保持在所要求的设定值，其中周期时间为短路时间和电弧时间的总和，所述调节器对于不同的外界影响因素的焊接偏差有特别和极好的作用，例如保持触头和工件之间的距离。此外，这类的焊机可操作用于不同的焊条尺寸和材料。同样地，可实现对不同的保护气体成分的固定偏差。对已试验的最优方案排列在很大程度上已不再需要，并且因此对于利用从不同厂商和不同制造批次的材料进行焊接时，适当的重复精度的可靠性增加了。
由于至少部分地适用于喷射区域，因而该方法具有极好的效果。在喷射区域的冷却部分，小百分比的短路熔滴转移仍然存在。由于有2-5％短路部分的调节，可获得在快弧(RapidArc)概念中常提到的对喷射区域这部分同样的稳定控制。但是在纯短弧焊期间，适当的短路百分比是17-25％，且已证明21％作为启动值是最适宜的。如要求冷焊，则百分比增加，反之亦然。具有这些功能以调整短路百分比设定值的输入装置存在于电源、焊条送进装置或校准箱上。
为了实现控制稳定性和控制效果，需要调节控制参数以在扰动后在50-1000毫秒内达到延续，这意味着调节器不能控制单独的短路百分比但是可控制其多个的平均值。
根据本发明更进一步的实施例，短路时间的确定包括基于测量的电压确定短路，并在电压低于所确定的短路极限值时认为存在短路。在相应方式中，电弧时间的确定包括基于测量的电压确定电弧，并且当测量的电压超过电弧确定值时认为存在电弧。
根据本发明更进一步的实施例，短路时间的确定包括基于测量的光强确定短路，并在光强低于所确定的短路极限值时认为存在短路，以及在测量光强超过电弧确定值时认为存在电弧。在相应方式中，电弧时间的确定包括根据测量的光强确定电弧，并且当测量的光强超过电弧确定值时认为存在电弧。
根据本发明更进一步的实施例，短路时间的确定包括根据声测量确定短路，并在测量声频为预定值时认为存在短路。在相应方式中，电弧时间的确定包括根据声测量确定电弧，并且当测量的声频为预定值时认为存在电弧。例如，当测量声频处于确定周期内时，可认为是存在电弧，否则认为是存在短路，反之亦然。
附图说明
下面借助于实施例并参照附图对发明进行更详尽地描述，其中：
图1所示为用于进行MIG/MAG焊接的装置的示意图。
图2所示为短弧焊期间当熔滴在焊条和工件之间转移时电流和电压是如何变化的。
具体实施方式
在下文中将对本发明的一些可能的实施例进行描述。更进一步的实施例理所当然被包括在权利要求书的范围内。
图1所示为用于在焊条7的端部7′和工件8之间存在短路熔滴的MIG/MAG焊的焊接设备。所示的焊接设备包括焊机1，其具有适于给焊条7提供焊接能量或熔化功率的电源。优选电源包括逆变电源。在焊机1上具有焊条送进装置2。焊条送进装置2适于将焊条7送进焊枪3。焊枪3借助于电焊电缆与焊条送进装置2、焊机1和气瓶4相连。焊枪3包括气罩5和导电铜管6，焊条7通过导电铜管6被送进工件8附近的位置。从气瓶4输送焊接气体到气罩5和导电铜管6之间的封闭空间。
此外，焊接设备包括控制设备，所述控制设备包括调节器9和过程调节器9′。在所公开的具体实施例中，调节器9被归入过程调节器9′。调节器9可以构成过程调节器9′的必要组成部分。然而，过程调节器9和调节器9′也可是控制设备的二个分离的控制部件，优选串联排列以便调节器9的输出信号成为过程调节器9′的输入信号。控制设备也包括：示意表示的第一传感器10，其用于感应焊条7和工件8之间的短路；和示意表示的第二传感器11，其用于感应焊条7和工件8之间的电弧。调节器9和第一传感器10共同构成用于确定短路时间(即，短路持续时间)的装置。调节器9和第二传感器11共同构成用于确定燃弧时间(即，电弧持续时间)的装置。
第一装置9、10用于确定短路时间，即焊条端部7′和工件8之间的短路持续时间。第二装置9、11用于确定燃弧时间，即焊条端部7′和工件8之间的电弧持续时间。调节器9与过程调节器9′共同作用，通过这种方式来控制供给焊条7的电能：如果总周期时间内的所测量的短路时间超过规定可调整的设定值则供电增加，如果短路百分比低于所述设定值则供电减少，其中周期时间是短路时间和燃弧时间的总和。因此，调节器9和过程调节器9′将保持短路百分比为恒定的、所期望的设定值。
本发明主要用于将短路百分比恒定保持在所要求的设定值。这是通过让用于此目的的调节器9将其输出信号进一步留给内部过程调节器9′处理而实现的，其目的是以微观比例控制焊接过程，那就是说，给出电源的静态和动态特性。
然而，作为其它可选方式，本发明同样可在更多简单焊机中执行，例如，没有任何特殊过程调节器的半导体开关元件-控制的焊接电源。在这种情况下，本发明的调节器直接控制用于焊机1的半导体开关元件的点火角。
本发明也可用于例如步进控制的焊机中，其中对焊丝进给元件马达进行控制，以便使得如权利要求1所述影响能量供应或熔化功率。
可以通过软件以及模拟或数字类型的硬件来实施控制设备。
下面的公式描述了在一个实施例中的控制算法：
En+1＝En-k(Rreg-Rn)，其中：
E＝来自短路时间调节器的输出信号＝到达最初焊接过程调节器的输入信号
k＝积分短路时间调节器中的放大常数，选择k以便使得从扰动到持续状态的时间为50-1000毫秒，优选250-350毫秒。
在控制算法可以存在同样的比例部分。
R＝短路时间/(短路时间+燃弧时间)
Rreg＝R的设定值
Rn＝R的最新测定值
1.在每个新的测量Rn后更新En
2.如果周期时间＞150毫秒，设置Rn为较低值，比如1％
3.电弧熄灭导致En不能进行更新
4.如果电弧熄灭超过150毫秒，上述步骤2有效
在下一次焊接开始时使用最新的控制值是有利的。为此因而在焊接设备断开后需要存储控制值的存储器。如果焊条送进速度自上次焊接发生变化，则插入用于可靠焊接开始的值。因而这意味着同样在电流切断的情况下，同样应将焊条送进速度值存储在储存器中。

Claims (20)

1.一种用于在焊条端部和工件之间存在短路熔滴的MIG/MAG焊接的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
确定短路时间，
确定燃弧时间，和
以下面的方式控制焊条的熔化效率：即如果总周期时间内的所测量的短路时间超过规定的可调设定值，则熔化效率增加；如果所述短路百分比低于所述设定值，则熔化效率减少，其中所述周期时间是短路时间和燃弧时间的总和。
2.如权利要求1所述的控制方法，其中，进行所述控制以获得作为总周期时间一部分的所述短路时间的设定值。
3.如权利要求1或2所述的控制方法，其中，所述控制适于在50-1000毫秒内的扰动之后达到连续状态。
4.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，短路时间的确定包括基于测量的电压确定短路，以及在电压低于所确定的短路极限值时认为存在短路。
5.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，燃弧时间的确定包括基于测量的电压确定电弧，以及在所测量的电压超过电弧确定值时认为存在电弧。
6.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，短路时间的确定包括基于光测定确定短路，并且在光强低于所确定的短路极限值时认为存在短路，和在测量的光强超过电弧确定值时认为存在电弧。
7.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，燃弧时间的确定包括基于光测定确定电弧，并且在所测量的光强超过电弧确定值时认为存在电弧。
8.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，短路时间的确定包括根据声测量确定短路，并且在所测量的声频为预定值时认为存在短路。
9.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，燃弧时间的确定包括根据声测量确定电弧，并且在所测量的声频为预定值时认为存在电弧。
10.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，所述周期时间是以短路时间和紧接着的燃弧时间的总和来计算的。
11.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，熔化效率的控制包括以下面的方式控制提供给焊条的能量：即如果总周期时间内的所测量的短路时间超过设定值则能量供给增加，如果所述短路百分比低于设定值则能量供给减少。
12.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，熔化效率的控制包括以下面的方式控制焊条的送进速度：即如果总周期时间内的所测量的短路时间超过设定值则送进速度增加，如果所述短路百分比低于设定值则送进速度减少。
13.如前述权利要求中任一项所述的控制方法，其中，进一步检测电弧熄灭，即焊接电流不再存在的状态，并且其中与电弧熄灭相关的周期时间被忽略，即所述周期时间未对熔化功率的计算作出贡献。
14.用于进行MIG/MAG焊接的焊接设备，包括：焊枪(3)，所述焊枪夹持具有焊条端部(7′)的焊条(7)，所述焊条端部(7′)适于被送至工件(8)附近的一定位置；和焊机(1)，所述焊机适于向焊条(7)供应能量，其特征在于，焊接设备包括：
适于确定短路时间的第一装置(9、10)，
适于确定燃弧时间的第二装置(9、11)，和
适于以下面的方式控制焊条(7)的熔化效率的调节器(9)：即如果总周期时间内的所测量的短路时间超过规定的可调设定值，则熔化效率增加；如果所述短路百分比低于所述设定值，则熔化效率减少，以保持短路百分比为恒定值，其中所述周期时间是短路时间和燃弧时间的总和。
15.如权利要求14所述的焊接设备，进一步包括用于控制焊接设备动态特性的过程调节器(9′)。
16.如权利要求15所述的焊接设备，其中所述过程调节器(9′)接收来自调节器(9)的输入信号以保持短路百分比恒定。
17.如权利要求14所述的焊接设备，其中用于保持短路百分比恒定的调节器(9)控制焊机(1)的电源模块中的半导体开关元件的点火角。
18.如权利要求14-17中任一项所述的焊接设备，其中用于保持短路百分比恒定的调节器(9)控制焊条送进装置(2)，以便当所述短路百分比低于规定设定值时输送更多焊条(7)，且反之亦然。
19.如权利要求14-17中任一项所述的焊接设备，其中用于保持所述短路百分比恒定的调节器(9)控制焊机，从而以下面的方式调整供给焊条的能量：即如果总周期时间内的所测量的短路时间超过设定值则能量供给增加，如果所述短路百分比低于设定值则能量供给减少。
20.如权利要求11-19中任一项所述的焊接设备，包括用于存储最新使用的控制参数并在下次焊接开始时应用这些参数的装置。
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