CN1019174B - 自动电弧焊接方法 - Google Patents

自动电弧焊接方法

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Abstract

自动电弧焊接方法，包括：在用焊丝沿焊件间形成的坡口焊接二个对接焊件时，根据根部间距、焊丝的材料等，通过计算机连续地确定出予定的焊接电流。用以保证焊透层深度符合予定的数值；根据焊接电流，焊丝的材料等，通过计算机连续地确定出焊丝的予定送进速度，以保证焊丝的伸出长度符合予定的数值；根据焊丝送进速度，焊丝的材料，根部间距等，通过计算机连续地确定焊接速度，以保证焊缝高度符合予定数值；这样根据确定的相应的予定数值，从而自动控制焊接电流、焊丝送进速度和焊接速度。

Description

本发明涉及一种使用熔化电极焊丝的自动电弧焊接方法，特别是涉及一种当沿着焊件间形成的坡口的纵向焊接两个对接焊件时的自动电弧焊接方法，这种焊接方法即使根部间距有所变化仍然能够防止烧穿，可以保持恒定的焊缝高度及稳定的焊接电弧。
当使用熔化极焊丝沿着焊件间形成的坡口的纵向焊接两个对接焊件时，通常使坡口的根部间距为0，即，保持焊缝根部端面互相接触。特别是在进行自动电弧焊接时，一般要严格地控制根部间距，使根部间距的最大值保持在1mm，较大的根部间距会导致焊透层深度不够或烧穿现象。然而，实际上，由于机加工精度的限制，沿坡口的纵向根部间距的变化是不可避免的。
这种常规的焊接方法是这样的，例如，在沿坡口焊接对接的焊件之前，要预先在坡口的整个长度允许范围内调整根部间距。这种调整一般要通过手工操作填补焊接根部间距较大的部位，此外，还需要增加焊缝根部的高度以免引进烧穿现象。
然而，在进行整体的焊接之前完成这种用以填补根部间距的手工操作会降低整个焊接加工的效率。如前所述，还须要增加坡口根部的高度。其结果，在进行对接焊件的双面焊接时，为了确保满意的焊透层深度，在焊接第一侧面形成的第一个坡口以后，焊接第二侧面形成的第二个坡口之前，还需要通过刨削加工来修整第二个坡口，使第二个坡口底部表面在第一个坡口中形成焊缝。
在这种情况下，就要求自动电弧焊接方法即使在坡口的纵向根部间距有所变化的情况下仍然能够保持焊透层深度不变，并且在不增加焊缝根部的高度时也能防止烧穿，同时保持焊缝高度不变及焊接电弧稳定。 但是，在此之前，还没有人提出这样的自动电弧焊接方法。
本发明的目的是提供一种自动电弧焊接的方法。这种方法在坡口纵向的根部间距有所变化的情况下能够确保焊透层深度基本不变，并且不须增加焊缝根部高度即可防止烧穿现象，同时保持焊缝高度恒定及焊接电弧稳定。
按照本发明所提出的技术特征，在自动电弧焊接方法中包括：
通过一个对着焊件间形成的坡口的焊嘴，以规定的送进速度，基本垂直地连续供给一根熔化极焊丝，沿着所说的坡口的纵向连续移动带有焊丝的焊嘴;向焊丝供给规定的焊接电流，使焊丝的端部和坡口之间产生电弧，以规定的焊接速度，沿着坡口利用电弧热焊接对接的焊件;本发明的特征在于：当沿坡口焊接对接焊件时，
（a）在焊嘴移动方向的下游连续测量坡口的根部间距;
（b）按照下述公式（1）计算预定的焊接电流I，用以保证焊透层深度符合予定数值：
I＝I0-kG……（1）
其中，I：预定焊接电流;
I0当根部间距为0时的焊接电流;
k：与焊透层深度、保护气体种类、焊丝材料等有关的系数;
G：根部间距。
控制焊接电流使之符合这样计算出的预定的焊接电流;
（c）按照下述公式（2）计算预定的焊丝送进速度Vf，用以保证焊丝由焊嘴端部伸出的长度符合予定数值，
Vf＝A·I+B·l·I2……（2）
其中，Vf：焊丝的预定送进速度;
I：焊接电流;
l：焊丝的伸出长度;
A、B：与保护气体的种类、焊丝的材料等有关的系数。
控制焊丝的送进速度，使之符合这样计算出的焊丝的预定送进速度;
（d）按照下述公式（3）计算预定焊接速度V，用以保证焊缝高度符合预定数值。
V＝Vf（Vf0/V0+ (d)/(k) ·G）……（3）
其中，V：预定焊接速度;
Vf：焊丝送进速度;
Vf0：当根部间距为0时的焊丝送进速度;
V0：当根部间距为0时的焊接速度;
d：焊透层最低点和焊缝最高点间的距离;
k：焊丝的横截面积和熔敷系数的乘积;
G：根部间距。
控制焊接速度，使之符合这样计算出的预定焊接速度。
图1是表示相应于焊透层深度参数的根部间距与焊接电流之间关系的曲线图。
图2是表示焊接电流，焊丝送进速度、焊接电压和焊接速度之间关系的曲线图。
从上述的观点出发，为了改进自动电弧焊接方法的目的，对于在坡口纵向根部间距有所变化的情况下能够确保焊透层深度基本不变，并且不需增加焊缝根部高度即可防止烧穿现象，同时保持焊缝高度恒定及焊接电弧稳定的自动电弧焊接方法进行了广泛的研究，其结果获得以下发现：
（1）如果找出与焊透层深度相应的焊接电流和根部间距之间的一定关系，就可以通过测量坡口的根部间距，由计算来确定予定的焊接电流，以此来保证焊透层深度符合予定数值。
（2）如果找出与焊缝高度相应的焊接电流，焊接速度、焊丝送进速度和根部间距之间的一定关系，就可以通过计算来确定采用上述予定焊接电流时的焊接速度，以此来保证焊缝高度符合予定数值。
（3）如果找出与焊丝伸出长度相应的焊接电流和焊丝送进速度之间的一定关系，就可以通过计算来确定采用上述予定的焊接电流时焊丝的送进速度、以此来确保焊丝从焊嘴的端部伸出的长度符合予定数值。
本发明的完成基于上述发现。现在参照附图详细说明本发明的自动电弧焊接方法。
本发明的自动电弧焊接方法的一个实施例表明沿着焊件间形成的坡口两个焊件如何被焊接在一起。
焊嘴通过传送装置的操作沿着坡口连续移动。传送装置的移动速度，即焊接速度，由第三控制器控制，以使得焊缝高度符合下述预定数值。焊嘴可以按照指定方向绕其中心轴线高速转动。
作为熔化极焊条的焊丝偏心于焊嘴的中心轴线插入焊嘴中，通过焊丝送进装置，焊丝穿过焊嘴，基本上垂直地向坡口连续送进。由第二控制器控制经过焊丝送进装置的焊丝的送进速度，以使从焊嘴的端部伸出的焊丝的伸出长度符合预定的数值。
由第一控制器控制的焊接电源向两焊件与焊丝之间供给焊接电流，这个焊接电流可以保证焊透层深度符合下述预定数值。由这个焊接电流在焊丝的端部和坡口之间产生一个电弧，利用这个电弧热将两焊件沿坡口焊接在一起。设置在焊嘴附近的喷嘴喷射保护气体使坡口与外界空气隔离。当然，本发明的适用性不限于上述公知的旋转式电弧焊接方法。
一个电视摄像机在焊嘴移动方向的下游连续拍摄坡口，该电视摄像机固定在传送装置上。
一个图像处理装置连续地测量与来自电视摄像机的拍摄信号相对应的坡口的根部间距。由图像处理装置测出的根部间距的数据被送入后面将要说到的计算机中。
计算机为第一控制器、第二控制器、第三控制器提供如下所述的相应的计算结果。在沿坡口焊接两焊件时所用的下列公式（1）至（3）预先输送到计算机中。
I＝I0-kG……（1）
上述公式（1）用于计算使焊透层深度符合预定值的预定焊接电流I。在公式（1）中，
I：预定焊接电流;
I0：当根部间距为0时的焊接电流;
k：与焊透层深度、保护气体的种类、焊丝的材料等有关的系数;
G：根部间距。
计算机为第一控制器提供预定焊接电流的计算结果。上述I0和k由输入装置被预先送到计算机中。
图1是表示相应于焊透层深度参数的坡口根部间距与焊接电流之间关系的曲线图。更准确地说，图1的曲线图清楚地表明，当达到1mm、2mm或3mm的相应的焊透层深度时，在所测得的实际根部间距与所应用的实际焊接电流之间存在着一定的关系。从而证明了上述公式（1）是成立的。
Vf＝A·I+B·l·I2……（2）
上述公式（2）用于计算预定的焊丝送进速度Vf。采用这个送进速度，可以保证由焊嘴的端部伸出的焊丝的长度符合预定数值。在公式（2）中，
Vf：预定的焊丝送进速度;
I：焊接电流;
l：焊丝伸出长度;
A、B：与保护气体种类、焊丝材料等有关的系数。
计算机为第二控制器提供预定的焊丝送进速度的计算结果。为了保证电弧稳定，控制焊丝的伸出长度使之符合预定的数值。
图2是表示焊接电流、焊丝送进速度、焊接电压和焊接速度之间关系的曲线图。在图2中，表示焊丝送进速度的曲线清楚地表明，应用的实际焊接电流和所应用的实际焊丝送进速度之间存在着一定的关系，从而证明了公式（2）是成立的。
V＝Vf（Vf0/V0+ (d)/(k) ·G）……（3）
上述公式（3）用于计算预定焊接速度V，以这个焊接速度进行 焊接可以保证焊缝高度符合预定数值。在公式（3）中，
V：予定焊接速度;
Vf：焊丝送进速度;
Vf0：当根部间距为0时的焊丝送进速度;
V0：当根部间距为0时的焊接速度;
d：焊透层最低点和焊缝最高点之间的距离;
K：焊丝横截面积和熔敷系数的乘积;
G：根部间距。
计算机为第三控制器提供预定焊接速度的计算结果。上述Vf0、V0、d和K由输入装置预先送入计算机中。
在图2中，表示焊接速度的曲线清楚地表明，在所应用的实际焊接电流和所应用的实际焊接速度之间存在着一定的关系，从而证明了公式（3）是成立的。
为了使电弧更加稳定，最好控制焊接电压。为此目的，可预先将下述公式（4）输入计算机：
Et＝Ee+Ea+Er……（4）
上述公式（4）用于计算预定焊接电压Et，用这个电压进行焊接可以保证电弧的长度符合预定数值。在图2中，
Et：预定焊接电压;
Ee：由焊丝伸出长度引起的电压降;
Ea：电弧电压;
Er：由电阻引起的电压降，这个电阻等于焊接电源的一个输出端和焊嘴之间的电阻与焊接电源的另一个输出端与焊件之间的电阻之和。
上述Ee、Ea和Er相应地由下列公式（5）至（7）给出。
Ee＝a·l·I-b·Vf/I……（5）
Ea＝E0（I）+X·la……（6）
Er＝R·I……（7）
其中，l：焊丝的伸出长度;
I：焊接电流;
Vf：焊丝送进速度;
a，b：与保护气体的种类、焊丝材料等有关的系数;
F0（I）：与负极和正极的电压降总和相等的电压降;
X：弧柱电位梯度;
la：电弧长度;
R：等于焊接电源的一个输出端与焊嘴之间的电阻和焊接电源的另一个输出端与焊件之间的电阻之和的电阻。
计算机为第一控制器提供预定焊接电压的计算结果。
在图2中，表示焊接电压的曲线清楚地表明，所应用的实际焊接电流同所应用的实际焊接电压之间存在着一定的关系，从而证明了公式（6）是成立的。
现在按照本发明所描述的方法沿着坡口将两个焊件焊接在一起的情况。
焊嘴通过传送装置的操作沿着坡口连续移动，同时绕其中心轴线高速旋转。来自由第一控制器控制的焊接电源的焊接电流施加到穿过焊嘴的焊丝上。由这个焊接电流在焊丝的端部和坡口之间产生一个电弧，利用电弧热将两焊件沿坡口焊接在一起。
电视摄像机在焊嘴移动的方向的下游拍摄坡口。电视摄像机的摄像信号进入图像处理装置中。图像处理装置连续地测量与摄像信号相应的坡口的根部间距（G），这样测出的根部间距的数据被送入计算机。计算机按照预先输入计算机的上述公式（1）计算预定焊接电流（I），这个电流应保证焊透层深度符合预定数值。计算机为第一控制器提供预定焊接电流的计算结果。第一控制器控制焊接电源，使符合上述被计算出的预定焊接电流的焊接电流通过焊丝。以此来保证无论根部间距（G）有任何变化，坡口的焊透层深度总是符合预定数值。
根据预先输入计算机的上述公式（2），计算机在使用上述计算出的预定焊接电流下计算焊丝预定送进速度（Vf），以此来保证焊嘴端部的焊丝的伸出长度符合预定的数值。计算机为第二控制器提供焊丝预定送进速度的计算结果。第二控制器控制焊丝送进装置，使焊丝以符合上述计算得出的焊丝预定的送进速度连续地向坡口送进。以此来保证无论焊丝电流怎样变化，焊丝伸出长度总是符合预定数值，这样来确保电弧稳定。
计算机根据预先输入计算机的上述公式（3）计算使用由上述计算得出的预定焊接电流时的预定焊接速度（V），以此来保证焊缝高度符合预定数值。计算机为第三控制器提供预定焊接速度的计算结果。第三控制器控制传送装置，使两个焊件以符合上述计算得出的预定焊接速度沿着坡口被焊接在一起。以此来保证无论根部间距（G）怎样变化，焊缝高度总是符合预定数值。
现在说明本发明的自动电弧焊接方法的一个实施例。
准备如焊件的两块厚度为10mm的不锈钢板（SUS304），在这两块钢板之间加工出坡口。然后，用自动电弧焊接机沿着坡口将两个焊件焊接在一起。使用1.6mm的焊药包心焊丝作为焊丝，以二氧化碳气体作为保护气。
当沿着坡口将两焊件焊接在一起时，首先将下列数据预先输入计算机。
用于计算预定焊接电流（I）：
P1：2mm;
I0：360A;
k：37;
其中：P1：预定坡口焊透层深度;
I0：根部间距为0时的焊接电流;
k：与焊透层深度、保护气体种类、焊丝材料等有关的系数。
用于计算焊丝的预定送进速度（Vf）：
l：15mm;
A：0.2;
B：4.59×10-5;
其中：l：焊丝的伸出长度;
A、B：与保护气体种类、焊丝材料等有关的系数。
用于计算预定焊接速度（V）：
Vf0：161mm/sec;
V0：8.3mm/sec;
d：6.5mm;
K：1mm2;
其中，Vf0：根部间距为0时的焊丝送进速度;
V0：根部间距为0时的焊接速度;
d：焊透层最低点与焊缝最高点之间的距离;
K：焊丝横截面积与焊着效率的乘积。
对这样沿坡口焊接在一起的两焊件的焊缝高度作了检验，其结果表明，尽管根部间距（G）是变化的，焊缝高度总是为常数。坡口2的焊透层深度符合预定数值，并且获得了令人满意的无缺陷的焊缝。
如上所述，根据本发明，尽管根部间距是变化的，仍然可以得到一个不变的焊透层深度。因而可以在不增加根部高度的情况下防止烧穿或过烧，保持焊缝高度不变及电弧的稳定，为工业生产提供了有用的实际效果。

Claims (1)

1、一种自动电弧焊接方法，包括：以规定的速度通过焊嘴基本垂直地朝着两个焊件间形成的坡口连续地送进熔化电极的焊丝；沿着所说的坡口的纵向连续地移动带有所说的焊丝的所说的焊嘴；为了在所说的焊丝的端部和所说的坡口之间形成一个电弧，向所说的焊丝供给一个规定的焊接电流，从而沿着所说的坡口以规定的焊接速度，通过电弧热，将所说的焊件焊接在一起；其特征在于：在沿所说坡口焊接对接焊件时，
(a)在焊嘴移动方向的下游连续测量所说坡口的根部间距；
(b)按照下述公式(1)计算予定焊接电流(I)，用以保证焊透层深度符合予定数值，
I=I0-KG……(1)
其中：I：予定焊接电流
IO：根部间距为0时的焊接电流
k：与焊透层深度、保护气体种类、焊丝材料有关的系数
G：根部间距
控制所说的焊接电流，使之符合这样计算得出的予定焊接电流；
(c)按照下述公式(2)计算所说焊丝的予定送进速度(Vf)，用以保证所说焊丝由所说焊嘴端部伸出的长度符合予定数值，
Vf=A·I+B·l·I2……(2)
其中，Vf：焊丝的予定送进速度
I：焊接电流
l：焊丝的伸出长度
A、B：与保护气体的种类、焊丝的材料有关的系数
控制所说焊丝的所说送进速度，使之符合这样计算得出的所说焊丝的予定送进速度；
(d)按照下述公式(3)计算予定焊接速度(V)，用以保证焊缝高度符合予定数复，
V=Vf(Vfo/Vo+ (d)/(K) ·G) ……(3)
其中，V：予定焊接速度
Vf：焊丝的送进速度
Vfo:根部间距为0时的焊丝送进速度
VO：根部间距为0时的焊接速度
d：焊透层最低点与焊缝最高点之间的距离
K：焊丝的横截面积与焊着效率的乘积
G：根部间距
控制所说的焊接速度，使之符合这样计算得出的予定焊接速度。
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