CN102133679B - 一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置和方法，属于磁场作用焊接技术领域。本装置包括常规熔化极气体保护焊必备设备和短路过渡检测电路、激磁驱动电路、激磁主电路、磁头装置。本发明在熔滴短路时刻能够产生一垂直于焊丝轴线的横向脉冲磁场作用于短路液桥，促进短路液桥提前破断，比常规方法减小了短路时刻的峰值电流，降低电爆炸飞溅并能提高短路过渡焊接时短路周期的规则性。本发明制作简单，明显改善了短路过渡的焊接工艺。
Description
技术领域
本发明属于磁场控制焊接技术领域，具体涉及一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置和方法。
背景技术
短路过渡焊接工艺是熔化极气体保护焊的一个重要的工艺方法，具有低的热输入量、变形小、适于全位置焊接和便于实现自动化等特点。而常规的熔化极气体保护焊短路过渡工艺的电弧稳定性差、焊缝成型欠佳、飞溅较大的缺点也阻碍其广泛应用。究其原因，主要是短路过渡焊接时，熔滴过渡是一个随机过程，从而造成短路时间、燃弧时间在一定范围内波动，这种波动便引起焊接过程的不稳定，造成焊接质量的差异；同时在短路初期电磁力排斥造成瞬时短路飞溅，特别是短路末期电流急剧增大，产生的电磁力促使液桥爆断造成电爆炸飞溅等因素恶化了焊接过程。
为改善短路过渡焊接工艺的上述缺点，焊接工作者进行了许多研究。传统上是从保护气体、焊接材料、增加电抗器等方面改善，其控制效果有限；近年来发展较快的是波形控制法和波形控制联合机械控制等方法。前者典型的案例是林肯公司的“表面张力过渡(STT)”，而冷金属过渡(CMT)是后者的一个较为典型的控制方法。STT法中，熔化的熔滴在电磁收缩力和表面张力的作用下实现了无飞溅过渡，具有焊接飞溅小和烟尘小、焊缝成形规则等优点，但其缺点也显而易见，主要是适用电流范围窄，控制复杂，信号易受干扰。CMT法将波形控制和焊丝的机械回抽结合起来，整个焊接过程实现了“热-冷-热”交替循环，每秒钟转换达70次，焊接热输入大幅降低，特别适于焊接薄板和超薄板的无飞溅熔焊和钎焊，但CMT的控制也是相当复杂，成本较高，使其推广受限。
通过大量的实验表明，当在短路过渡焊接中施加合适的横向脉冲磁场时，可以影响熔滴短路过渡过程，使短路过渡所固有的过渡频率不均匀性得到显著改善，并减少焊接飞溅，从而提高焊缝表面质量，改善短路过渡焊接工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有常规熔化极气体保护焊短路过渡工艺的上述缺点，并与现有的波形控制法，CMT法等方法采用不同的控制思路，应用磁场技术改善传统短路过渡焊接工艺，具体通过外加辅助磁场即一横向脉冲磁场作用于熔化极气体保护焊短路过渡焊接中，设计了磁场施加方式和磁场作用于短路过渡的控制方式。装置和控制方法简单有效。通过本装置和控制方法，能够降低飞溅，提高短路过渡频率的规则性和电弧的稳定性，从而改善短路过渡焊接工艺。
为实现上述目的，本发明采取了如下的技术方案：
一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，包括焊接电源9、送丝马达5、焊丝6、导电嘴7、保护气瓶8、焊接工件10的常规熔化极气体保护焊必备设备，还包括短路过渡检测电路4、激磁驱动电路3、激磁主电路2和磁头装置1；焊接电源的9的正极与导电嘴连接，负极与焊接工件10相连，同时分别从焊接电源9的正极和负极引出两根线与短路过渡检测电路4的输入端相连，短路过渡检测电路4的输出部分与激磁驱动电路3的输入端相连，激磁驱动电路3的输出与激磁主电路2的输入端相连，激磁主电路2输出端与磁头装置1相连。
激磁主电路2包含调压器、整流桥、功率电子开关器件以及储能原件；220V交流电接入调压器，调压器的输出接整流桥，整流桥的输出端正负极并联储能元件，同时将功率电子开关的发射极与整流桥的负极相连；激磁主电路2的输出为整流桥的正极和功率电子开关的集电极；激磁主电路2通过调压器调节激磁电压的大小。功率电子开关器件是IGBT、GTR或MOSFET，储能元件是电容。
短路过渡检测电路4由光电耦合器和电压比较电路组成；短路过渡检测电路4的输入为导电嘴7和焊接工件10之间的电弧电压信号，此信号经过光电耦合器隔离后接入电压比较器的同相输入端，通过调节电压比较器的反相输入端的参考电压值，短路过渡检测电路4输出以高电平或低电平标识的短路起始时刻信号。
激磁驱动电路3由MCU控制电路、光耦隔离电路和功率放大电路组成；激磁驱动电路3以短路过渡检测电路4的输出作为输入信号，通过MCU控制电路后，在短路起始时刻输出宽度可调的驱动脉冲，此驱动脉冲再经光耦隔离电路和功率放大电路后产生能够触发激磁主电路2中的功率开关器件的驱动信号，其中的驱动脉冲宽度ton可调，其值为具体焊接规范参数下短路时间的统计平均值。
磁头装置1的两端分别与激磁主电路2中的整流桥的正极和功率电子开关的集电极相连。
磁头装置1由漆包铜线紧密缠绕成圆柱形螺线管样式，为增强磁感应强度，在绕制的螺线管中间插入铁芯。
磁头装置1中螺线管的轴线与焊丝的轴线及焊接方向垂直放置；螺线管的轴线延长线应与焊接时短路液桥的缩颈水平对齐，螺线管的端面或螺线管中间插入的铁芯端面与焊丝的距离可调。
磁头装置1线圈的通断由激磁主电路2中功率电子开关的通断控制，磁头装置1所产生的磁场形式为垂直于焊丝轴线方向的横向的脉冲磁场。
一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的方法，步骤如下：
①焊接时，短路过渡检测电路4采集导电嘴7和焊接工件10之间的电弧电压信号，每当熔滴与熔池刚一接触短路，短路过渡检测电路4输出以高电平或低电平标识的短路起始时刻的信号；
②短路过渡检测电路4输出的短路起始时刻的信号输入激磁驱动电路3，激磁驱动电路3以上述高电平或低电平为触发时刻，产生能够触发功率开关器件的驱动信号；
③上述驱动信号输入到激磁主电路2中功率电子开关器件的门极，在设定一定的激磁电压的情况下，驱动激磁主电路2中的功率电子开关器件导通和关断，使得磁头装置1产生横向脉冲磁场作用于短路液桥。
本发明的工作原理：电爆炸飞溅是引起熔化极气体保护焊短路过渡焊接飞溅的一种主要形式，而电爆炸飞溅主要是由于短路过渡末期，随着短路液桥缩颈的不断变细，电流密度急剧增大，相应变得很大电磁力促使液桥爆断造成的。
实施本发明进行短路过渡焊接时，在熔滴短路液桥形成阶段，施加一“辅助磁场”，即：
(1)该辅助磁场作用于短路液缩颈处，如图6所示；
(2)辅助磁场起始作用时刻为熔滴刚与熔池接触短路时刻，磁场波形为垂直于焊接方向和焊丝轴线的脉冲横向磁场，磁场波形如图5(d)所示；
(3)此脉冲磁场的持续时间(即控制磁场线圈通断的IGBT的导通时间ton(驱动脉冲宽度)为一固定值，该值为一定的短路过渡焊接规范下的短路时间的统计平均值。
当按照本发明的配置进行焊接时，短路液桥受到的洛仑兹力可表述为(该力方向如图6所示)：
Fm＝J×B
式中Fm——洛仑兹力(N/m3)；
J——电流密度(A/m2)；
B——磁感应强度(Wb/m2)。
实施本发明后的辅助电磁力主要有以下几方面的优点：
(1)在短路末期，使即将崩断的、处于压缩不稳定的缩颈在辅助电磁力的扰动下发生崩断。
(2)在辅助电磁力的扰动下缩颈发生崩断的时刻，先于常规短路缩颈爆断之时。即在辅助电磁力作用下的崩断是在比常规短路液桥崩断所需的较小的电流下发生。这样就降低了短路的峰值电流，液桥能在较柔顺的状态下破断并过渡到熔池，从而在一定程度上抑制了较大的峰值电流引起的电爆炸飞溅。
(3)该辅助电磁力以能够降低短路周期标准差，提高短路过程均匀性和稳定性。
(4)本发明装置和方法简单有效，显著改善常规的短路过渡焊接工艺。
附图说明
图1本发明的原理图。
图2本发明的短路过渡检测电路原理图。
图3本发明的激磁驱动电路原理图。
图4本发明激磁主电路原理图
图5在实施本发明下短路过渡焊接时各主要功能模块的波形示意图。图5(a)为输入到短路过渡检测电路4的短路过渡电弧电压波形；图5(b)为短路过渡检测电路4的输出并作为激磁驱动电路3的输入的短路时刻检测信号；图5(c)为激磁驱动电路3输出的用于驱动激磁主电路2中的功率模块的驱动信号示意图；图5(d)为磁头装置1的磁头输出的磁感应强度B的波形示意图。
图6在实施本发明下短路过渡焊接时短路液桥所受的辅助电磁力详细原理图。
图7为常规短路过渡焊接时(未施加磁场)采集到的焊接电流和电弧电压波形，图7(a)为总体波形特征；图7(b)为局部波形详图。
图8为实施本发明后采集到的焊接电流和电弧电压波形，图8(a)为总体波形特征；图8(b)为局部波形详图。
图9为Ar+20％CO2条件下未施加辅助磁场和施加激磁电压55V的辅助磁场后的瞬时I-U图的对比。
具体实施方式
本发明的具体实施方式参见图1-图4，本实施例包括焊接电源9、送丝马达5、焊丝6、导电嘴7、保护气瓶8、焊接工件10的常规熔化极气体保护焊必备设备，还包括短路过渡检测电路4、激磁驱动电路3、激磁主电路2和磁头装置1；焊接电源的9的正极与导电嘴连接，负极与焊接工件10相连，同时分别从焊接电源9的正极和负极引出两根线与短路过渡检测电路4的输入端相连，短路过渡检测电路4的输出部分与激磁驱动电路3的输入端相连，激磁驱动电路3的输出与激磁主电路2的输入端相连，激磁主电路2输出端与磁头装置1相连。
激磁主电路2包含调压器、整流桥、功率电子开关器件以及储能原件。220V交流电接入调压器，调压器的输出接整流桥，整流桥的输出端正负极并联储能元件，同时将功率电子开关的发射极与整流桥的负极相连。激磁主电路2的输出为整流桥的正极和功率电子开关的集电极。激磁主电路2通过调压器调节激磁电压的大小，如图4所示。本实施例中调整激磁电压大小为55V。功率电子开关器件选择IGBT，储能元件选择电容。
短路过渡检测电路4由光电耦合器和电压比较电路组成。短路过渡检测电路4的输入为导电嘴7和焊接工件10之间的电弧电压信号，此信号经过光电耦合器隔离后接入电压比较器的同相输入端，通过调节电压比较器的反相输入端的参考电压值，短路过渡检测电路4输出以高电平或低电平标识的短路起始时刻信号，如图5(b)所示。
激磁驱动电路3由MCU控制电路、光耦隔离电路和功率放大电路三部分组成，其中MCU控制电路选用AtmelMEGA16。激磁驱动电路3以短路过渡检测电路4的输出作为输入信号，通过MCU控制电路后，在短路起始时刻输出宽度可调的驱动脉冲，此驱动脉冲再经光耦隔离电路和功率放大电路后产生能够触发激磁主电路2中的功率开关器件的驱动信号。其中的驱动脉冲宽度ton可调，其值为具体焊接规范参数下短路时间的统计平均值。本实施例中根据所使用的焊接参数，取ton为3ms。激磁驱动电路3的构成如图3所示。
磁头装置1的两端分别与激磁主电路2中的整流桥的正极和功率电子开关的集电极相连。磁头装置1由漆包铜线紧密缠绕成圆柱形螺线管样式，为增强磁感应强度，在绕制的螺线管中间插入铁芯。磁头装置1中螺线管的轴线与焊丝的轴线和焊接方向垂直放置。螺线管的轴线延长线与焊接时短路液桥的缩颈部位水平对齐，螺线管的端面或螺线管中间插入的铁芯端面与焊丝的距离可调，本实施例中设置此距离为20mm。磁头装置1线圈的通断由激磁主电路2中功率电子开关的通断控制，磁头装置1所产生的磁场形式为垂直于焊丝轴线方向的横向的脉冲磁场。
采用本发明装置进行熔化极气体保护焊短路过渡焊接时的方法如下：
①焊接时，短路过渡检测电路4采集导电嘴7和焊接工件10之间的电弧电压信号，每当熔滴与熔池刚一接触短路，短路过渡检测电路4输出以高电平或低电平标识的短路起始时刻的信号。
②短路过渡检测电路4输出的短路起始时刻的信号输入激磁驱动电路3，激磁驱动电路3以上述高电平或低电平为触发时刻，产生能够触发功率开关器件的驱动信号。
③上述驱动信号输入到激磁主电路2中功率电子开关器件的门极，在设定一定的激磁电压的情况下，驱动激磁主电路2中的功率电子开关器件导通和关断，使得磁头装置1产生横向脉冲磁场作用于短路液桥。
本实施例所使用的焊接规范为：保护气Ar+20％CO2；保护气流量：15L/min；焊接材料：ER50-S，母材Q235，焊丝干伸长：20mm；焊接电源：Kemppi XiM500；送丝速度2.0m/min(焊接电流为90A)，电弧电压：17.6V。
实验结果及分析
实施本发明并进行短路过渡焊接时，采用示波器或汉诺威弧焊质量分析仪采集电弧电压和焊接电流信号。从采集到的焊接电弧电压和焊接电流波形的时间特性上来看施加辅助脉冲横向磁场后的效果：未施加磁场焊接时采集的焊接电流和电弧电压波形总体波形特征和局部波形如图7(a)(b)所示，当采用本发明装置且施加的脉冲横向磁场的激磁电压为55V时(磁感应强度B＝40Gs左右)时，采集到的焊接电流和电弧电压波形总体特征和局部波形如图8(a)(b)所示，施加本发明装置前后短路过渡稳定性的对比可通过瞬时I-U图来分析(图9所示)，由图9可以看出当施加辅助磁场后，电流和电弧电压的窗口面积减小，且ABCD四段线簇的分布较正常焊接时更加集中，说明了在本发明下的熔滴过渡更为均匀，焊接过程更为稳定。通过汉诺威弧焊质量分析仪统计的数据显示，当实施本发明后焊接电流平均值从未加磁场正常焊接的92.7A降低为83.6A。且短路时峰值大电流的概率和∑n(Is)由未加磁场前的11.0904％，变为施加激磁电压55V的辅助磁场后的5.7621％，从而有效的抑制了短路末期的峰值电流，降低了飞溅率，实测飞溅率由4.6％降低为2.9％。实施本发明后焊缝纹理更为细腻，外观质量与未加磁场正常焊接时相比更为良好。
Claims (7)
1.一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，包括焊接电源（9）、送丝马达（5）、焊丝（6）、导电嘴（7）、保护气瓶（8）、焊接工件（10）的常规熔化极气体保护焊必备设备，其特征在于：还包括短路过渡检测电路（4）、激磁驱动电路（3）、激磁主电路（2）和磁头装置（1）；焊接电源（9）的正极与导电嘴连接，负极与焊接工件（10）相连，同时分别从焊接电源（9）的正极和负极引出两根线与短路过渡检测电路（4）的输入端相连，短路过渡检测电路（4）的输出部分与激磁驱动电路（3）的输入端相连，激磁驱动电路（3）的输出与激磁主电路（2）的输入端相连，激磁主电路（2）输出端与磁头装置（1）相连；
激磁主电路（2）包含调压器、整流桥、功率电子开关器件以及储能原件；220V交流电接入调压器，调压器的输出接整流桥，整流桥的输出端正负极并联储能元件，同时将功率电子开关的发射极与整流桥的负极相连；激磁主电路（2）的输出为整流桥的正极和功率电子开关的集电极；激磁主电路（2）通过调压器调节激磁电压的大小；
激磁驱动电路（3）由MCU控制电路、光耦隔离电路和功率放大电路组成；激磁驱动电路（3）以短路过渡检测电路（4）的输出作为输入信号，通过MCU控制电路后，在短路起始时刻输出宽度可调的驱动脉冲，此驱动脉冲再经光耦隔离电路和功率放大电路后产生能够触发激磁主电路（2）中的功率开关器件的驱动信号;其中的驱动脉冲宽度ton可调，其值为具体焊接规范参数下短路时间的统计平均值；
磁头装置（1）线圈的通断由激磁主电路（2）中功率电子开关的通断控制，磁头装置（1）所产生的磁场形式为垂直于焊丝轴线方向的横向的脉冲磁场。
2.根据权利要求1所述的一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，其特征在于：功率电子开关器件是IGBT、GTR或MOSFET，储能元件是电容。
3.根据权利要求1所述的一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，其特征在于：短路过渡检测电路（4）由光电耦合器和电压比较电路组成；短路过渡检测电路（4）的输入为导电嘴（7）和焊接工件（10）之间的电弧电压信号，此信号经过光电耦合器隔离后接入电压比较器的同相输入端，通过调节电压比较器的反相输入端的参考电压值，短路过渡检测电路（4）输出以高电平或低电平标识的短路起始时刻信号。
4.根据权利要求1所述的一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，其特征在于：磁头装置（1）的两端分别与激磁主电路（2）中的整流桥的正极和功率电子开关的集电极相连。
5.根据权利要求1所述的一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，其特征在于：磁头装置（1）由漆包铜线紧密缠绕成圆柱形螺线管样式，为增强磁感应强度，在绕制的螺线管中间插入铁芯。
6.根据权利要求5所述的一种用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置，其特征在于：磁头装置（1）中螺线管的轴线与焊丝的轴线及焊接方向垂直放置；螺线管的轴线延长线应与焊接时短路液桥的缩颈水平对齐，螺线管的端面或螺线管中间插入的铁芯端面与焊丝的距离可调。
7.一种基于权利要求1所述的用外加磁场辅助熔化极气体保护焊的装置的护焊方法，步骤如下：
①焊接时，短路过渡检测电路（4）采集导电嘴（7）和焊接工件（10）之间的电弧电压信号，每当熔滴与熔池刚一接触短路，短路过渡检测电路（4）输出以高电平或低电平标识的短路起始时刻的信号；
②短路过渡检测电路（4）输出的短路起始时刻的信号输入激磁驱动电路（3），激磁驱动电路（3）以上述高电平或低电平为触发时刻，产生能够触发功率开关器件的驱动信号；
③上述驱动信号输入到激磁主电路（2）中功率电子开关器件的门极，在设定一定的激磁电压的情况下，驱动激磁主电路（2）中的功率电子开关器件导通和关断，使得磁头装置（1）产生横向脉冲磁场作用于短路液桥。
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