CN103111732B - 熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法。所述控制方法包括在熔滴与熔池接触的短路阶段中对焊接回路中的电导进行快速连续不断的检测，并在熔滴液颈逐渐变细的短路后期根据所述电导的变化对短路负载通电的焊接电流作出相应的调控，并在短路结束时将焊接电流调控至预先设定的基值电流，从而可根据熔滴液颈不同的情况对焊接电流作出相应的连续不断的检测及调控，使控制效果更加精确有效，进而有效防止熔化极气体保护焊中短路过渡过程中的熔滴爆炸飞溅或被“冻”住的现象的发生。

Description

熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法

技术领域

本发明涉及熔化极气体保护焊接技术，尤其涉及一种可有效减少飞溅的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法。

背景技术

熔化极气体保护焊接，简称GMAW（GasMetalArcWelding），是焊接技术应用最广泛的一种焊接工艺，其中短路过渡是该种焊接工艺的基本技术内容之一。但是在短路过渡过程中，尤其是在二氧化碳焊接中，往往伴随着飞溅大、成形差的缺点。

为解决上述问题，美国林肯电学公司提出了一种STT（SurfaceTensionTransfer，表面张力传递）焊接方法，具体可参阅于1990年1月17日公告的中国专利第CN1006450B号揭露的控制短路型焊接系统的方法和装置。该种控制短路型焊接系统的方法，简单地说，就是对短路过渡过程中不同阶段采取不同的输出电流，尤其是在短路的最后阶段，迅速降低电流，使熔滴能够依靠表面张力过渡到熔池中去，从而消除短路最后阶段的爆炸，减少飞溅，同时也改进焊缝的成形。

现有技术中防飞溅的方法可归纳为图1及图2所示。其中图1中（B）和（C）为气体保护焊中通常情况下焊接过程中焊接电流i和焊接电压u的变化波形，（A）为与焊接电流i和焊接电压u相对应的熔滴和电弧燃烧情况。（C）中t_sc1时刻表示熔滴刚开始接触熔池（对应（A）中时刻b），电弧被短路；这时熔滴和熔池的接触面积非常小，几乎是一个点；在表面张力的作用下，接触面积迅速扩大，形成了一个液颈（对应（A）中时刻c）；随着电流的迅速升高，流过液颈的电流产生的电磁收缩力使液颈变细（对应（A）中时刻d），熔滴的液态金属越来越多地流到熔池中去；到（A）中时刻e时电流已非常大，液颈也非常细了。在强大的电磁收缩力和加热的共同作用下，液颈在（A）中时刻f猛烈爆炸断开，电弧重新引燃，短路过程结束，对应（C）中t_sc2。短路过程一共持续了如图上所示的T_sc时间。电弧重新引燃后，焊丝熔化，逐渐形成熔滴（对应（A）中时刻g）；以后熔滴不断长大（对应（A）中时刻h及时刻a），直到又碰到熔池（对应（A）中时刻b），重新短路，电弧熄灭。从短路结束时刻t_sc2到重新短路的短路开始时刻t_sc1，电弧一共燃烧了如图上所示的T_arc时间。T_sc加上T_arc为一个熔滴的短路过渡周期T。一般情况下该短路过渡周期T多为数十毫秒。试验研究表明，短路过渡过程中发生的飞溅绝大部分都发生在短路开始时刻和短路结束时刻，即t_sc1和t_sc2两个瞬间，即所谓危险时刻阶段。图2是现有技术中对应采取措施的示意性概括，主要为使电流在这两个时刻的前后一段时间里保持在较低的水平以防止飞溅。

但是上述方法也带来很大的困难，例如图2中t_c表示短路阶段中焊接电流i开始切换降低时刻。只有当电流在真正短路结束的瞬间t_sc2时刻前已降到足够小，才能保证不产生猛烈的飞溅。研究表明，这个t_c领先于t_sc2的时间大约是100微秒左右。太晚时，保证不了电流的确实降低。太早了，熔滴缺乏足够的电磁收缩力，不能收缩得足够细，最后甚至可能断不开。焊丝和熔池会被“冻”住，电弧不能重复引燃，最后只能以猛烈爆炸而结束。过程稳定性受到猛烈的破坏。而这种破坏的恢复往往需要好几个周期。再加上在实际生产中，由于焊接电流流过的导线较长，周围铁磁体较多，回路中因此存在着较大的电抗，电流也就不能迅速切换下来。并且生产实践表明，短路结束前大电流的极快切换是很困难的，有时甚至于是做不到的。

因此，有必要提供一种改进的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可精确控制以有效防止飞溅的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，所述控制方法包括在熔滴与熔池接触的短路阶段中对焊接回路中的电导进行快速连续不断的检测，并在熔滴液颈逐渐变细的短路后期根据所述电导的变化对短路负载通电的焊接电流作出相应的连续不断地调控，并在短路结束时将焊接电流调控至预先设定的基值电流。

作为本发明的进一步改进，所述控制方法还包括在熔滴形成的燃弧阶段后期，将焊接电流降低至前述预先设定的基值电流。

作为本发明的进一步改进，所述控制方法还包括在短路阶段中熔滴与熔池之间自点接触至液颈稳定成型，即短路开始时至所述电导增速明显降低时的短路前期，对焊接电流根据所述电导的变化作出相应的连续不断地调控，并在所述电导增速明显降低时将焊接电流转换为短路峰值大电流。

作为本发明的进一步改进，所述电导和焊接电流每次检测和调控的时间间隔为10-200微秒。

作为本发明的进一步改进，在所述短路后期，所述焊接电流以正比于所述电导的降低速度进行降低调控，即di/dt正比于dG/dt，直到液颈断开。

作为本发明的进一步改进，在所述短路前期，所述焊接电流以正比于所述电导的增加速度进行增加调控。

作为本发明的进一步改进，在所述液颈中断、短路结束后，对电弧电压进行连续不断的检测，并根据电弧电压的变化对焊接电流作出相应的连续不断地调控，直至电弧电压增加至14-20v后将焊接电流转换为燃弧峰值大电流。

本发明的有益效果是：本发明通过在熔滴与熔池接触的短路阶段中对焊接回路中的电导进行快速连续不断的检测，并在熔滴液颈逐渐变细的短路后期根据所述电导的变化对短路负载通电的焊接电流作出相应的调控，以在短路结束时将焊接电流调控至预先设定的基值电流，从而可根据熔滴液颈不同的情况对焊接电流作出相应的连续不断的检测及调控，使控制效果更加精确有效，进而有效防止熔化极气体保护焊中短路过渡过程中的熔滴爆炸飞溅或被“冻”住的现象的发生。

附图说明

图1是现有技术焊接过程中电流、电压的波形图及相应的电弧燃烧状况图；

图2是现有技术中焊接电流的调控示意图；

图3是图1中短路阶段电流及电压波形图的扩展及短路阶段焊接回路中电导的变化图；

图4是本发明根据图3中短路后期的电导变化对焊接电流的调控与现有技术的调控比对示意图；

图5是本发明根据图3中短路前期的电导变化对焊接电流的调控与现有技术的调控比对示意图；

图6是本发明的电流调控波形图。

其中，附图标记简要说明如下：

u-焊接电压，i-焊接电流，t_sc1-短路开始时刻，t_sc2-短路结束时刻，T_sc-短路阶段，T_arc-燃弧阶段，T-短路过渡周期，i_parc-燃弧峰值大电流，i_psc-短路峰值大电流，i_b-基值电流，G-回路电导，t_a-短路阶段中焊接电流i开始转换成i_psc时刻，t_b-燃弧阶段中焊接电流i开始转换成i_parc时刻，t_c-短路阶段中焊接电流i开始切换降低时刻，t_d-燃弧阶段中焊接电流i开始切换降低时刻。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、算法或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

请参阅图4至图6所示为本发明熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法的对应调控波形图。参照图1、图2及图6所示，熔化极气体保护焊的焊接过程可理解为燃弧阶段T_arc和短路阶段T_sc的重复状态。

其中燃弧阶段T_arc又包括燃弧早期（对应图2、6中的t_sc2至t_b之间时段）、燃弧中期（对应图2、6中的t_b至t_d之间时段）及燃弧后期（对应图2、5、6中的t_d至t_sc1之间时段）。结合图2所示，燃弧早期可理解为现有技术中短路结束后的修整期；在该时期中，因为短路刚结束时，熔池和熔滴都还很不稳定，甚至还会发生偶然的接触；要是把燃弧峰值大电流i_parc加得太早，就有可能产生新的爆炸，新的飞溅；但是燃弧峰值大电流要是加得太晚，焊丝不能及时熔化，使电弧拉长，焊丝就有可能插入熔池中去，形成又一次短路，甚至“冻”住，后果同样不堪设想；因此在短路结束后电流要继续维持一段低水平时间，直到t_b瞬间，才能开始转换成燃弧峰值大电流i_parc，即进入燃弧中期。结合图2所示，现有技术中往往任意地设定t_b延迟为1毫秒，但是该种任意设定的时间在溶池振荡比较猛烈的情况下往往行不通，很难保证某一个时间长度是最合适的，如若时间设置不合适则会出现如上所述的新的爆炸飞溅或“冻”住的现象。结合图6所示，为解决该种问题，给熔滴提供一个合适的燃弧过渡期，本发明熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法在燃弧早期、即在所述液颈中断、短路结束后的t_sc2至t_b之间时段，对电弧电压进行连续不断的检测，并根据电弧电压的变化对焊接电流作出相应的调控，直至电弧电压增加至14-20v后将焊接电流转换为燃弧峰值大电流i_parc并进入燃弧中期。其中当电弧电压增加至14-20v后即可说明电弧再被偶然短路的可能性已被消除，此时燃弧峰值大电流i_parc可促进熔滴的尽快形成，从而为后续焊接电流降低为小电流、熔滴下坠稳定和熔池平静下来提供更多时间，保证熔滴与熔池顺利可靠地接触并融合。

另外，结合图6所示，本发明熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法中在燃弧中期（即t_b至t_d之间时段）保持燃弧峰值大电流i_parc以促进熔滴的较快形成，直到时间到达t_d时进入燃弧后期（即t_d至t_sc1之间时段），将焊接电流逐渐降低至预先设定的基值电流i_b，使焊接电流保持在仅足以勉强维持电弧稳定燃烧的水平，熔滴基本上不再长大，进而使得原先在焊丝头上翻腾的熔滴和汹涌动荡的熔池都慢慢平静下来；此时由于焊丝熔化减慢，电弧缩短，直至最后熔滴接触熔池，开始短路过渡而步入短路阶段T_sc。

结合图3所示，该图中（B）是图1（B）中短路阶段扩展后的焊接电压u的波形；（C）是图1（C）中短路阶段扩展后的焊接电流i的波形；（D）是焊接回路中回路电导G的变化情况。

所述短路阶段T_sc根据熔滴液颈的变化可分为液颈快速增大的短路前期（对应图2、6中的t_sc1至t_a之间时段）、液颈稳定增大的短路中期（对应图2、6中的t_a至t_c之间时段）及液颈开始收缩至中断的短路后期（对应图2、6中的t_c至t_sc2之间时段）。其中回路电导G为焊接回路中的电导，即为焊接回路中电阻的倒数，等于图3所示焊接电流i除以焊接电压u。结合图1及图3可以看出在短路期间回路电导G随着液颈的变化也是变化的。在短路前期，因为熔滴与熔池接触面积极小，焊接回路中的回路电导G也相应非常小，随着熔滴与熔池的融合，接触面积急剧扩大，回路电导G也不断增加；在短路中期，液颈增长到最大，回路电导G也对应较大；在短路后期，液颈不断变细，直到最后细成一根线而断裂，回路电导G也急速下降，形成类似一个底朝上的盆型曲线。该G曲线即代表着焊接回路中电导的变化情况，亦即焊接回路中电阻的变化情况。焊接回路的焊接电压u包含着取电压信号的两端内的许多组成部分，如导线、工件、导电嘴、焊枪、熔滴等等。因为已经短路了所以没有电弧。回路电导G的变化反映这些组成部分的电阻在变化。但是只有熔滴的电阻在短路过程中发生如图3所示的猛烈变化，其他部分的状态相对都是比较恒定的，不可能有成倍乃至几十倍的变化。由此可见回路电导G曲线实际上反映了液颈状态的变化，也可称为熔滴液颈电导的变化曲线。假如说回路电导G本身是多因素的组合，那么其变化dG/dt却是单因素的，只反映液颈状态的变化，有明确的物理意义。

从图3（C）可看到整个G曲线大致可以分为四个区间：AB段急剧上升，是熔滴和熔池开始融合段，对应为短路前期，该时期进行得非常快，一般延时小于1毫秒；BC为稳定增长段，液颈变化相对较缓慢，对应为短路中期，这一段延时最长，一般为若干毫秒；经过C点后，电磁收缩力开始明显发挥作用，液颈开始收缩变细，G开始逐步下降，直至E点液颈中断对应为短路后期，该时期CD段一般历时1毫秒左右，到达D点，液颈已变得相当细，G急剧下降，到E点，也就是短路结束t_sc2的时刻，DE段发展极快，历时大约是100微秒左右。

结合图3及图4所示可知，图4为短路后期回路电导G和焊接电流i的变化图，其中实线G可理解为表示液颈在现有技术中随时间的变化，实线i表示现有技术中将焊接电流i在G曲线D点位置对应时刻进行切换，使到达短路结束时焊接电流变得很小，从而减小飞溅。图4中虚线表示本发明控制方法中的焊接电流切换方法及对应的回路电导G的变化状态，即在短路后期，快速连续不断地检测回路电导G的变化，当发现回路电导G开始出现一点轻微下降的趋势的C点，对应图4中时间t轴的t_co时刻，就开始把焊接电流从原来的i_co作相应的减少，转换为i_c1；经过一个短暂的时段，到t_c1时刻，发现电导也已从原来的G_c0又降低了一点点，成为G_c1；再对应减少焊接电流到i_c2；再经过同一个短暂的时段到t_c2时刻，再次检测回路电导G的变化，发现回路电导G又降低成为G_c2；再对应降低焊接电流到i_c3。以此类推下去，经过许多次的调控，最后在图上t_cn时刻，将焊接电流i_cn调控降至预先设定的基值电流i_b时，此时可为调控降至接近或等于预先设定的基值电流i_b，液颈也在t_sc2时刻平静地破坏。其中本发明控制方法主要采用逆变电源与计算机控制相结合的方式进行上述焊接电流的调控，将所述回路电导G和焊接电流i每次检测和调控的时间间隔设置为10-200微秒，并且将焊接电流设置为以正比于回路电导G的降低速度进行调控降低，即di/dt正比于dG/dt，直到液颈断开。

现有技术中由于所采用的电流波形往往是锯齿形的，越到后面，电流越大，收缩越快，所以电导曲线G从开始有一点下降的C点到最后的E点往往只有1毫秒左右的时间。从图4中可以看出经过本发明的焊接电流的调控后，由于电流的减少，电磁收缩力降低，电导曲线G下降变慢了，C点到E点这段时间可显著增加到2-3毫秒，这对焊接电流的调控提供很大的方便。另外，即使在短路后期液颈不是有规律地进行不断收缩，回路电导G也对应不是有规律地进行下降，通过本发明控制方法中对回路电导G的不间断检测及焊接电流i的不间断对应调控，即当回路电导G下降时，焊接电流下降；当回路电导G停止变化，焊接电流也可以停止变化；当回路电导G突然出现增加时，焊接电流也可以相应地暂时增加一下，从而可有效保证提供给液颈足够的电磁收缩力，并且保证液颈不会被“冻”住，而这种抗干扰的能力是现有技术中的一次性的调控方式所无法做到的。

另外，结合图3、图5及图6所示，图5中G曲线即为图3中短路前期的回路电导G的变化曲线，也可直接理解为液颈电导的变化曲线。其中实线i曲线代表短路前期现有技术中的焊接电流的调控状况，虚线i代表本发明控制方法中短路前期根据回路电导G变化对焊接电流的调控曲线。

其中如前述，当焊接电流在燃弧后期（即t_d至t_sc1之间时段）从燃弧峰值大电流i_parc降低为很小的基值电流i_b后，熔滴自然下坠，在燃弧阶段的t_sc1时刻瞬间接触熔池，开始短路；随后熔滴与熔池之间接触面积不断扩展，熔滴逐步融入熔池。为促进熔滴金属尽快地向熔池过渡，有必要尽快地加上较大的短路电流。但这个大电流又不能加上过早，因为此时假如接触点还没有充分扩展时，过大的电流有可能把接触点立即烧掉，形成又一次引弧，甚至有可能把整个熔滴都抛出去，造成大颗粒飞溅；但加的太晚又有可能造成过渡动力不足，有被“冻”住的危险。目前现有技术中采用的控制方法都是使短路峰值大电流i_psc在短路开始后延迟一定时间，如图上实线i曲线所示，直到t_a才加上，这段时间一般定为1毫秒。但是，在小电流情况下，由于已采取了其他各种措施使熔滴和熔池都平静了下来，基本问题不大，而在大电流时，当熔池翻腾猛烈，这个时间不一定能确切保证熔滴和熔池的接触已达到肯定不会再被拉断的程度。为解决该问题，本发明控制方法设置为在短路前期，快速连续不断地检测焊接回路中的回路电导G，如图5中虚线i所表示的那样，当检测到回路电导G增加时，对焊接电流也作出相应的增加调控，一直到电导曲线G达到B点，电导增加速度明显降低，说明液颈基本上已经稳定成形，即进入短路中期，此时将焊接电流转换为短路峰值大电流i_psc。这种检测和调控同前面所介绍过的图4中所示的短路后期的电流调控一样，都是以很小的时间间隔快速连续不断地进行的。对G曲线的连续监测调控使熔滴只有在已确切地与熔池融合后才加上短路峰值大电流，这样保证了短路前期调控的可靠性。

最后，请参阅图6中所示的其中一个熔滴过渡的短路过渡周期T中的电流调控波形图，本发明控制方法包括：在熔滴与熔池接触的短路阶段T_sc中对焊接回路中的回路电导G进行快速连续不断的检测，并首先在液颈逐渐变粗的短路前期（对应t_sc1至t_a之间时段）根据所述回路电导G的变化对焊接电流作出相应的逐渐增加调控，以使液颈稳定成型而避免被烧掉、飞溅或被“冻”住；其次，在液颈增长稳定的短路中期（对应t_a至t_c之间时段），保持短路峰值大电流i_psc，以提供熔滴液颈足够的电磁收缩力；再次，在液颈变细的短路后期（对应t_c至t_sc2之间时段）根据所述回路电导G的变化对短路负载通电的焊接电流作出相应的减小调控，以使短路结束前的焊接电流被调控至预先设定的基值电流i_b，使得液颈在短路结束的t_sc2时刻平静地破坏，进而有效避免爆炸飞溅或被“冻”住；然后，在短路结束后的燃弧早期（对应t_sc2至t_b之间时段），对电弧电压进行连续不断的检测，并根据电弧电压的变化对焊接电流作出相应的调控，直至电弧电压增加至14-20v后，即电弧再被偶然短路的可能性已被消除时，将焊接电流转换为燃弧峰值大电流i_parc；再然后，在燃弧中期（对应t_b至t_d之间时段），保持燃弧峰值大电流i_parc以促进熔滴的尽快形成，从而为后续焊接电流降低为小电流、熔滴下坠稳定和熔池平静下来提供更多时间，保证熔滴与熔池顺利可靠地接触并融合；最后，在燃弧后期（对应t_d至t_sc1之间时段），将焊接电流逐渐降低以平静步入短路阶段T_sc。本实施方式在图6中用折线所表示的电流监控调控的部分仅是示意性的，因为焊接电流的调控每次历时时间非常短，并且焊接电流每次变化也非常小，所以图6中无法真实地表示出来。

另外，结合图6中上述一个熔滴过渡的短路过渡周期T中的电流调控波形图和该周期T结束后进入下一个熔滴过渡周期中的电流调控波形图，可以看出，前后两个熔滴的电流调控波形图稍有不同；因为在一次焊接过程中，各个熔滴的表现状态稍有差异，而本发明控制方法是对各个熔滴不同的情况对应作出相应的调控，进而会展示出不同的电流调控波形图，本图6即示意性地反映了这种情况；由此可见，本发明控制方法通过对不同熔滴个性化的处理方式，加上将现有技术中一次性的控制操作变为连续多次的过程性的调控操作，使得本发明控制方法的控制效果更佳精确有效。

综上所述，本发明控制方法根据熔滴液颈不同的情况对焊接电流作出相应的连续不断的检测及调控，使控制效果更加精确有效，进而有效防止熔化极气体保护焊中短路过渡过程中的熔滴爆炸飞溅或被“冻”住的现象的发生。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括在熔滴与熔池接触的短路阶段中对焊接回路中的电导进行快速连续不断的检测，并在熔滴液颈逐渐变细的短路后期根据所述电导的变化对短路负载通电的焊接电流作出相应的连续不断地调控，并在短路结束时将焊接电流调控至预先设定的基值电流。

2.根据权利要求1所述的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括在熔滴形成的燃弧阶段后期，将焊接电流降低至前述预先设定的基值电流。

3.根据权利要求2所述的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括在短路阶段中熔滴与熔池之间自点接触至液颈稳定成型，即短路开始时至所述电导增速明显降低时的短路前期，对焊接电流根据所述电导的变化作出相应的连续不断地调控，并在所述电导增速明显降低时将焊接电流转换为短路峰值大电流。

4.根据权利要求1或3所述的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：所述电导和焊接电流每次检测和调控的时间间隔为10-200微秒。

5.根据权利要求1或3所述的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：在所述短路后期，所述焊接电流以正比于所述电导的降低速度进行降低调控，即di/dt正比于dG/dt，直到液颈断开。

6.根据权利要求3所述的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：在所述短路前期，所述焊接电流以正比于所述电导的增加速度进行增加调控。

7.根据权利要求1所述的熔化极气体保护焊中短路过渡过程的控制方法，其特征在于：在所述液颈中断、短路结束后，对电弧电压进行连续不断的检测，并根据电弧电压的变化对焊接电流作出相应的连续不断地调控，直至电弧电压增加至14-20v后将焊接电流转换为燃弧峰值大电流。