CN102500917A

CN102500917A - 一种脉冲电渣焊焊接系统及方法

Info

Publication number: CN102500917A
Application number: CN2011103378244A
Authority: CN
Inventors: 李桓; 丁雪萍; 朱艳丽; 顾小燕; 韦辉亮
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种脉冲电渣焊焊接系统和方法，包括焊机、脉冲控制器，其中所述脉冲控制器与焊机相连，使焊机输出脉冲形式的焊接电压和电流信号。该技术方案集中脉冲焊和电渣焊的优点，焊接速度高，生产率高，焊后熔深大，同时由于脉冲的电磁振荡作用晶粒粗大问题得到改善，从而焊接接头获得良好的焊接质量，机械性能得到显著提高，并且可以实现任何电渣焊工艺与脉冲电源的组合，操作方便、可靠、通用性强。

Description

一种脉冲电渣焊焊接系统及方法

技术领域

本发明属于焊接工艺技术领域，涉及一种焊接方法，特别是脉冲电渣焊的焊接系统及方法。

背景技术

电渣焊发明于20世纪40年代，工作原理为利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源，熔化母材和填充金属来进行焊接的一种工艺方法，类型主要有丝极电渣焊、熔嘴电渣焊、板极电渣焊、管极电渣焊和电渣压力焊等，其中以丝极电渣焊和熔嘴电渣焊最为常用。电渣焊可用交流或直流电源，一般多用交流。电渣焊的优点主要有熔深大，生产率高，基本无裂纹气孔等缺陷，焊后质量好，厚大焊件能一次焊接成形。在重型机械制造业、造船业、压力容器、桥梁、工程结构等制造领域得到广泛应用，焊件厚度一般为40～450mm，材料为碳钢，低合金钢，不锈钢等。但是由于厚大焊件是一次焊成，焊接速度缓慢，焊接热输入量大导致焊缝和热影响区在高温停留时间长，易产生晶粒粗大和过热组织，整体焊缝接头机械性能较差。而电渣焊多用来焊接一些在生产生活中要求耐高压高温的结构件，其焊缝接头质量和性能的可靠性尤其重要。如果采用较小的焊接热输入则生产效率下降，因此实现焊接质量和生产效率的优化配置是一个亟需解决的问题。实际生产中，为了改善电渣焊焊后接头和热影响区晶粒粗大、机械性能下降的情况，多采用焊后正火和回火热处理，实现焊缝金属和热影响区重结晶的过程，消除焊后残余应力。由于焊件多为厚大焊件，且热处理是一个价格昂贵耗时费力的过程，实施焊后热处理有一定困难。

针对电渣焊焊后焊缝金属和热影响区晶粒粗大的问题，学者们相继提出了一些解决方案，如德国的Eichhorn，Friedrich和Remmel，Josef教授研究了一种在焊接过程中高速向熔池中添加一些粉末状的填充金属的技术，此方法需要引进填充金属的送给设备，投资较高(Eichhorn Friedrich，Remmel Josef.Fully Mechanized Electroslag Welding of 50 To 100mm Thick Steel Sheets by the Multi-Pass Technique[J].Welding and Cutting，1987，39(7)：108-e113)；还有美国的Venkataraman.S教授和其同事研发了一种在可熔化导电嘴外部增加了一种石英套管的防护罩的方法(Venkataraman S，Devletian J H，Wood W E，Atteridge，D G.Grain Refinement Dependence on Solidification and Solid-State Reactions in ElectroslagWelds[J].The Metallurgical Society/AIME，1983：275-288.)，该方法需要在每个导电嘴安装石英套管，其通用性较差。

发明内容

本发明为克服上述的现有技术中的不足，提供一种脉冲电渣焊焊接系统和方法，该技术方案集中脉冲焊和电渣焊的优点，焊接速度高，生产率高，焊后熔深大，同时由于脉冲的电磁振荡作用晶粒粗大问题得到改善，从而焊接接头获得良好的焊接质量，机械性能得到显著提高，并且可以实现任何电渣焊工艺与脉冲电源的组合，操作方便、可靠、通用性强。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

一种脉冲电渣焊焊接系统，包括焊机、脉冲控制器，其中：

所述脉冲控制器与焊机相连，使焊机输出脉冲形式的焊接电压和电流信号；

所述焊机的两极分别与焊丝和待焊工件相连。

所述焊接系统中还可以包括电流传感器和电压传感器，用于测量焊机输出的电流和电压信号。

在本发明的焊接系统中还进一步包括电渣焊使用的其他功能组成部分，如引弧槽、金属熔池、冷却系统(如水冷铜块)、送丝系统等，以实现电渣焊的工艺。

利用本发明的脉冲电渣焊系统进行焊接的方法，按照下述步骤进行：

首先将脉冲控制器与焊机相连，将焊机的两极分别与焊丝和待焊工件相连；

其次利用脉冲控制器控制焊机输出脉冲形式的焊接电压和电流信号，并设置焊接峰值电流和基值电流、脉宽比和脉冲频率

第三，设置送丝速度和焊接速度

最后，施焊。

其中所述峰值电流为500-1000A。

所述基值电流为200-250A。

所述脉宽比为20％-50％。

所述脉冲频率为10-80Hz。

所述送丝速度为300-350m·h^-1

所述焊接速度为0.8-1.2m·h^-1

本发明的技术方案中，将脉冲控制器，将其连接到焊接控制电路中，使焊机输出脉冲形式焊接电压和电流，同时在焊接系统中进行焊接电压和电流波形的信号采集，监测焊接过程，脉冲电渣焊可实现控制焊接热输入量，产生电磁振荡，细化晶粒，改善焊接接头的机械性能。与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.与电渣焊相比，脉冲电渣焊焊接方法是在其基础上外加一电流脉冲控制器，针对不同的焊接对象，可独立调节设定相应的焊接峰值电流、基值电流大小、脉宽比和脉冲频率等，可以实现任何电渣焊工艺与电源的组合，操作方便，通用性强。

2.与电渣焊相比，脉冲电渣焊焊接方法在保证同等熔深的情况下热输入量减少5％-10％，节省能量，经济前景良好。

3.与电渣焊相比，脉冲电渣焊焊后焊缝和热影响区晶粒度明显变大，粗大的柱状组织减少5％-10％，根据国家标准GB/T229-1994，采用标准夏氏V型缺口进行冲击试验，发现冲击韧性提高5％-10％。

附图说明

图1为脉冲控制器原理图。

图2为CD4066的结构框图。

图3为键盘接口示意图。

图4为数码管结构图。

图5为89S52单片机原理图。

图6为A/D转换器原理图。

图7为信号滤波电路。

图8为箱型梁示意图。

图9为实施方式1的焊接系统示意图。

图10为实施方式2的焊接系统示意图。

图11为实施方式1中焊接电流和电压的波形图，图中上线为电压波形图，下线为电流波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明的技术方案。

利用前面所描述的技术方案，进行焊接工艺试验，以箱型梁中侧板和隔板间脉冲熔嘴式电渣焊和脉冲非熔嘴式电渣焊焊接为例。焊接系统主要包括：成都振中电焊机厂生产的ZH-1250型电渣焊电源和电渣焊小车(1台)，该焊机额定焊接电流为1250A，适用焊丝直径2.0-3.2mm，采用独特的电路设计和合理的机械结构设计方式，确保整套系统从引弧造渣到稳定焊接直至渣池引出，整个焊接过程稳定可靠地进行，操作更加灵活方便可用于箱型梁小孔电渣焊、炼钢厂高炉及其它各种电渣焊的形式。天津大学焊接实验室研制的双直流脉冲协调控制器(1台)，霍尔电压传感器(1台)，电流传感器(1台)等设备。

其中脉冲控制器原理图如图1所示。该控制器由MCU(微控制单元)、键盘、数码显示器、电流给定器和接口开关构成。其特征在于MCU采用以美国ATMEL公司生产的AT89C2051单片机为核心的控制电路，内置2k FLASH程序存储器及128字节内部RAM。它的一个I/O接口P1用作数码管扫描及驱动，另一个I/O接口P3用作键盘和脉冲控制端口；键盘由Reset、Mode、频率增、频率减、占空比增及占空比减按键组成。其中Mode循环选择恒定峰值焊接电流输出、恒定基值焊接电流输出、峰值-基值脉冲焊接电流输出；数码显示器采用4位八段数码管，其中前两位表示0.1-99Hz的脉冲频率，后两位表示5-95％的脉冲占空比；电流给定器是由两个独立电位器组成；多路接口开关与电焊机给定电位器端子板连接。以下是该控制器具体元件与连接的介绍：

1、控制器中的高速电子开关采用的是深圳美科源电子有限公司生产的CD4066芯片。CD4066的结构框图如图2所示。CD4066为由逻辑输入信号可控的CMOS型四双向开关。因为其构造为CMOS，所以对控制输入信号线路影响较小。另外，由信号输入而引起的开通(ON)阻抗变化较小，应用范围广，可作为断路器、调制器、解调器等使用。CD4066接收来自AT89C2051上P3.7、P3.5的脉冲控制信号，并据此分别选通高、低焊接电流的给定控制信号，将信号送到直流电渣焊焊机的遥控电流控制信号端子。

2、采用阵列式键盘如图3所示。

3、数码管采用静态锁存显示技术，具体的连接方式如图4所示。

4、单片机采用美国STC公司生产的89S52型单片机，其外围接口电路，如图5所示。

5、A/D转换器采用深圳市华联兴电子科技有限公司生产的AD0804芯片，具体连接如图6所示。

6、为保证控制结果的准确性，增设了信号滤波电路，主要采用深圳美科源电子有限公司生产的LM324运放组成的运算放大电路，如图7所示。

实施方式1：箱型梁中侧板和隔板间脉冲熔嘴式电渣焊(如附图9所示)，具体实施步骤如下：

(1)焊前准备工作：侧板、隔板和衬板加工、组装，箱体的组装如图8所示，引弧和熄弧板的安装。所用的焊材由天津大桥焊材集团有限公司生产，焊丝型号为H08Mn2Si，直径2.5mm，焊剂型号为HJ431；

(2)焊机安装调试步骤，包括调试好升降机构和水冷系统、安装电流脉冲控制器、电流和电压传感器，安装方法为焊机正极输出的电缆穿过电流传感器中的霍尔环，电压传感器分别接在焊机输出正负极两端，安装完毕并设置焊接峰值电流和基值电流、脉宽比、脉冲频率、送丝速度和焊接速度，具体焊接参数如表1所示；

(3)焊接步骤，向焊道内插入熔化嘴，使其底端距引弧剂表面10mm，对正，向熔化嘴导入焊丝，直至其顶端伸出熔化嘴5mm，焊接阶段，启动熔化嘴电渣焊机后，进入焊接过程，电渣焊焊接过程包括引弧造渣、正常焊接和收尾阶段。

表1 箱型梁侧板和隔板脉冲熔嘴式电渣焊焊接参数

实施方式2：箱型梁中侧板和隔板间脉冲非熔嘴式电渣焊(如附图10所示)，具体实施步骤同实施方式1，不同的是非熔化嘴在焊接过程中不会熔化，只起导送焊丝的作用，在焊接过程中不断上升，提升速度同焊接速度，过程参数可依据表1进行。

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

1.一种脉冲电渣焊焊接系统，其特征在于，包括焊机、脉冲控制器，其中：

所述焊机的两极分别与焊丝和待焊工件相连。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲电渣焊焊接系统，其特征在于，所述焊接系统中还可以包括电流传感器和电压传感器，用于测量焊机输出的电流和电压信号。

3.一种利用权利要求1所述的焊接系统进行焊接的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：

第三，设置送丝速度和焊接速度

最后，施焊。

4.根据权利要求3所述的一种焊接方法，其特征在于，所述峰值电流为500-1000A。

5.根据权利要求3所述的一种焊接方法，其特征在于，所述基值电流为200-250A。

6.根据权利要求3所述的一种焊接方法，其特征在于，所述脉宽比为20％-50％。

7.根据权利要求3所述的一种焊接方法，其特征在于，所述脉冲频率为10-80Hz。

8.根据权利要求3所述的一种焊接方法，其特征在于，所述送丝速度为300-350m·h^-1。

9.根据权利要求3所述的一种焊接方法，其特征在于，所述焊接速度为0.8-1.2m·h^-1。