CN101486126B - 一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，通过双丝交直流焊接控制器检测交流电焊机的输出电压并将检测值与设定的电压值进行对比判断，以此来控制直流电焊机输出相应的脉冲电流，使得脉冲直流与交流达到最佳匹配，即当交流电流的输出值在大于设定值时，直流电流输出值稳定在基值；而当交流电流的输出值低于设定值时，直流电流输出值稳定在峰值附近。这样以来，通过将双丝中直流与交流焊接结合，可以使两电弧之间的电磁力维持一个较小的稳定值，不会因为交流焊接的输出值增大，导致两电弧之间的电磁力急剧增加，从而保证焊接过程中电弧的持续稳定燃烧，以及确保焊接质量。

Description

一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种抗干扰的焊接方法，更具体地说，涉及一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法。

背景技术

由电源的数量分类，双丝埋弧焊可分为单电源双丝埋弧焊与双电源双丝埋弧焊两种，前者由于在两电弧之间干扰严重电弧且不容易控制，现在已经不被采用。在双电源的双丝埋弧焊接系统中，由于两电弧采用了独立设计，两电弧电流彼此独立，可以进行独立的协调控制，现在已经被广泛使用。在双电源系统中，每根焊丝都有几种选择的可能，或是一根交流一根直流，或是两根直流两根交流，可以适应不同要求的焊接，但是它们都面临同样的问题，就是双丝焊接是两电弧之间的相互干扰问题，由于两电弧之间的电流产生磁场并且互相叠加，这样就使电弧在电磁力的作用下发生偏转，从而影响了焊接过程的稳定。在双丝直流系统中，人们发现在电流不断增加的焊接工艺中，电弧稳定性不断变差，最终失稳，这样就制约了这种工艺的发展，近年来CLOOS，FONIUS等国外著名焊接设备生产企业纷纷推出了适合双丝直流焊接的设备，双丝直流焊接过程失稳的问题基本得到解决。但是，在双丝交直流系统的研究上，由于电弧受力复杂，所以近年来少有对双丝交直流系统控制方法的研究报道。

由于在焊接时前丝直流可以获得大熔深，后丝交流可以获得大熔宽，非常适合厚壁管材的焊接，所以双丝交直流埋弧焊系统被广泛的使用于焊管生产企业，随着管壁厚度不断增加，焊接电流也不断增加，两电弧之间的相互干扰现象越来越严重，因此需要设计出适合于双丝交直流埋弧焊系统的控制策略以减少双丝之间的作用力，达到控制双电弧自身干扰的目的。

发明内容

本发明旨在克服现有技术中的上述不足，稳定埋弧焊过程中的双电弧摆动，提供一种减小双电弧之间电磁干扰的埋弧焊接方法。

本发明的一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，具体的控制方法是通过检测交流电焊机的电压来获得当前交流电流的状态，然后由单片机计算后将脉冲控制信号输入到直流电焊机中，使其输出与交流电流相匹配的直流脉冲电流，以此控制双电弧电流绝对值乘积的大小，最终控制交流电弧与直流电弧之间的作用力。

本发明的一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，其实施步骤为：

(1)连接设备，分别将交直流电焊机与工作电源相连，将双丝交直流焊接脉冲控制器的控制端与直流电焊机的电位器给定端相连，将交流电焊机与双丝交直流焊接脉冲控制器相连，以检测交流电焊机的输出电压；

(2)设定双丝交直流焊接脉冲控制器相对应的基值和峰值电流，并设定脉冲控制器模式，使其输出模式为直流脉冲输出；

(3)设定双丝交直流焊接脉冲控制器的检测电压，用于和交流电焊机的输出电压进行比较；

(4)设定焊接速度；

(5)施焊，当交流焊机输出的电压大于设定的检测电压值时时，双丝交直流焊接脉冲控制器控制直流电焊机输出设定的基值；当交流焊机输出的电压小于设定的检测电压时，双丝交直流焊接脉冲控制器控制焊机输出设定的峰值。

所述焊接速度为5～20mm/s。

所述直流脉冲控制焊机输出设定的基值为300-900A。

所述直流脉冲控制焊机输出设定的峰值为1200-1400A。

所述交流焊机焊接时的输出峰值范围是30-42V。

由于双丝埋弧焊两电弧之间的电磁干扰与两焊丝之间的距离和两电流大小绝对值的乘积有关，在焊丝距离一定的情况下，可以控制两电流的大小来减小电磁干扰，本发明就是通过将双丝中直流与交流焊接结合，通过双丝交直流焊接控制器检测交流电焊机的输出电压并将检测值与设定的电压值进行对比判断交流电焊机输出电流的状态，以此来控制直流电焊机输出相应的脉冲电流，控制器将双丝中直流焊接的直流电源改变成输出为脉冲的直流电源，使得脉冲直流与交流达到最佳匹配，可以使两电弧之间的电磁力维持一个较小的稳定值，不会因为交流焊接的输出值增大，导致两电弧之间的电磁力急剧增加，从而保证焊接过程中电弧的持续稳定燃烧，以及确保焊接质量。如附图1所示，当交流电流的输出值在大于设定值时，直流电流输出值稳定在基值；而当交流电流的输出值低于设定值时，直流电流输出值稳定在峰值附近，这样以来交流电流和直流电流的绝对值乘积就稳定在一个数值附近，在两焊丝之间的距离一定的情况下，克服了现有技术因为交流焊接的输出值增大，导致两电弧之间的电磁力急剧增加的问题，保证了焊接过程中电弧的持续稳定燃烧，实现稳定的焊接电流。

本发明的技术方案具有如下技术效果：

(1)采用双丝配置，尽量减少了两电弧之间的电磁力的波动，使得焊接过程趋于平稳，成型效果得到明显改善；效率提高，对于大电流条件下的厚板焊接有很好的作用。

(2)系统仅需增加双丝交直流焊接脉冲控制器，不仅连接简单，控制方便，而且通用性强，对设备的可靠性有很好的保障作用。

(3)直流输出加上脉冲使得直流电弧的作用力发生周期性的变化，对熔池有搅拌作用，细化了晶粒，提高了焊接接头的力学性能。

附图说明

图1本发明的抗干扰双丝交直流埋弧焊控制机理

图2本发明的实验装置连接图

图3本发明的实验装置具体控制过程

图4本发明的控制器电路原理图

图5本发明的实测两电焊机输出波形图

具体实施方式

本发明的双丝交直流焊接脉冲控制器采用了模块化设计，分为两个模块，即交流检测模块(以下称检测模块)，直流电焊机脉冲控制模块(以下称控制模块)，检测模块采用了以模拟电路加AD转换器的设计方法，控制模块采用了以单片机(MCU)为核心的数字结构，通过设定交流电压的检测值，当检测模块检测电压超过该值的时候，控制直流电焊机输出脉冲基值，当检测模块检测电压小于该值的时候，控制直流电焊机输出脉冲峰值。

本控制器共有3个工作模式，可以分别使焊接电源以恒定峰值电流模式(mode1)、恒定基值电流模式(mode2)、峰值-基值脉冲电流模式(mode3)输出，可以在实际操作中灵活选用。整个控制器采用了“黑匣子”模式，接口简洁，设备的产品化程度较高。

检测模块

(1)电压采集滤波电路

滤波电路采用了有无源原件R、C与集成运算放大器构成的由原滤波电路，本控制器检测的交流频率范围在10～200Hz，考虑到交流电弧的电压波动严重本设计采用低通滤波电路，设计上限为500Hz，交流电焊机的最高空载电压大约为100v左右，所以采集进来的电压需要先进行分压和滤波，为了增强滤波效果，本电路采用了两级滤波，一级无源滤波和一级有源滤波。

(2)反相电路

由于交流电压有正负之分为了确保电压检测设定值的唯一性，需要将负半波的的波形进行反相操作，这样就可以只设定一个检测值来达到控制正负两个半波的效果。反相电路采用了模拟电路的结构，采用了运算放大器与电压反相器MC14584BCP组成的结构。

(3)AD转换电路

经过反相整流的电压信号通过AD转换电路可以将模拟电压值转换成数字信号输入到单片机中，本控制器采用了AD0804转换器作为转换元件并通过它与控制模块的单片机连接。

(3)检测电路的硬件选择

由上述电压检测电路各部分电路的功能，可知硬件部分可用到一个运算放大器，两个二极管，两个稳压管以及两个反相器。综合上述功能结合实际应用，本课题设计的电压检测电路的硬件部分选择运放LM324，二极管1N4148，稳压管1N4007及反相器MC14584BCP，AD转换器AD0804。

控制模块

(1)MCU：MCU采用STC89C52，是控制电路的核心。内置8K FLASH程序存储器及512字节内部RAM。STC89C52带有4个I/O口，P0、P1、P2和P3。本控制器P1口用作数码管扫描及驱动。P3口用作键盘和脉冲控制端口。

(2)显示：显示部分采用了5位八段数码管。其中，前两位显示当前检测电压的设定值，后三位可以显示经计算得到的交流电压的频率值，范围为1～500Hz；另外，利用后两位(第4、5位数码管)的小数点分别监视两个脉冲控制位的三种工作状态：第4位数码管小数点常亮(mode1)、第5位数码管小数点常亮(mode2)、第4、5位数码管小数点根据实际频率参数交替点亮(mode3)。可直观、形象地表示出脉冲控制器的运行状态。

(3)键盘：键盘由4个按键组成：Reset、Mode、Up、Down。其中，Reset为MCU复位键，使控制器恢复到默认参数；Mode键为脉冲控制器工作状态选择键，循环选择3个状态：恒定峰值焊接电流输出(mode1)、恒定基值焊接电流输出(mode2)、峰值-基值脉冲焊接电流输出(mode3)。Up、Down按钮是将电压设定值调高或是调低。

(4)电流给定：焊接电流通过两个独立的电位器，分别给定峰值电流和基值电流信号。

(5)接口开关：本部分是一组光电耦合器构成的电子开关，其作用是根据MCU的控制信号，分别将峰值电流和基值电流给定信号送到焊机的控制接口端子。

交流电焊机的电压有效值可以取35～110v之间，频率为工频50Hz，不同的交流电焊机工作频率可调。配合直流电焊机峰值电流在1200-1400A左右，基值电流在600-900A之间，送丝速度在5-20(mm/s)之间，焊丝直径可以选用当今市场常见的

6mm的焊丝，焊丝牌号按具体条件不同选择，可以稳定焊接。

本专利除了使用交流和直流焊机各一台外，还要用到由天津大学焊接实验室研制的双丝交直流焊接脉冲控制器，该控制器是在天津大学掌握的直流脉冲电流控制器技术的基础上，通过双丝交直流控制思想，改造原有的脉冲控制器而成。改进后的脉冲控制器采用了以单片机为核心的数字化结构，单片机通过接收检测电路采集交流电弧的电压信号来控制直流电焊机输出峰值电流和基值电流，最终实现控制策略，保证直流电源的焊接电流随着交流电源的焊接电流实现符合要求的变化。新型控制器的基本控制思想是，通过检测交流电弧电压信号，生成相应的脉冲控制信号，即直流电源的焊接电流随着交流电弧电压相应变化，从而控制两电弧之间的电磁力保持一个相对较小的稳定值，以此减小双丝焊中电磁力的干扰，实现稳定焊接。

本发明的技术方案采用DC-1500和AC-1200林肯电焊机分别作为焊接的直流焊机和交流焊机，送丝机两台，双丝交--直流焊接控制器一台，直径为4mm，型号为H08MnMoTiB的焊丝若干，使用的焊剂为SJ101G型烧结焊剂，焊接速度为20mm/s，两丝间距12mm，前丝倾角17°，后丝倾角3°。

实验组号

交流电压

交流电流

直流电压

直流基值电流

直流峰值电流

设定电压

1

40V

560A

35V

900A

1400A

20V

2

38V

550A

32V

750A

1300A

19V

3

36V

520A

32V

650A

1200A

18V

4

34V

500A

30V

600A

1100A

17V

在上述四个实验中，直流输出加上脉冲使得直流电弧的作用力发生周期性的变化，对熔池有搅拌作用，晶粒明显细化，焊接接头的力学性能平均提高20％-30％。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，其特征在于，通过控制双丝交直流的电流绝对值大小来使交流电弧与直流电弧之间的作用力维持在较小的稳定数值，按照下述步骤实施：

(1)连接设备，分别将交直流电焊机与工作电源相连，将双丝交直流焊接脉冲控制器的控制端与直流电焊机的电位器给定端相连，将交流电焊机与双丝交直流焊接脉冲控制器相连，以检测交流电焊机的输出电压；

(2)设定双丝交直流焊接脉冲控制器相对应的基值和峰值电流，并设定脉冲控制器模式，使其输出模式为直流脉冲输出；

(3)设定双丝交直流焊接脉冲控制器的检测电压，用于和交流电焊机的输出电压进行比较；

(4)设定焊接速度；

(5)施焊，当交流焊机输出的电压大于设定的检测电压值时，双丝交直流焊接脉冲控制器控制直流电焊机输出设定的基值；当交流焊机输出的电压小于设定的检测电压时，双丝交直流焊接脉冲控制器控制焊机输出设定的峰值。

2.根据权利要求1所述的一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，其特征在于，所述焊接速度为5～20mm/s。

3.根据权利要求1所述的一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，其特征在于，所述直流脉冲控制焊机输出设定的基值为600-900A。

4.根据权利要求1所述的一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，其特征在于，所述直流脉冲控制焊机输出设定的峰值为1200-1400A。

5.根据权利要求1所述的一种抗干扰的双丝交直流埋弧焊接方法，其特征在于，所述交流焊机焊接时的输出峰值范围是30-42V。

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