CN103831513A - 电弧焊机的节能控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电弧焊机及其控制方法。该控制方法包括：根据所述焊丝直径计算该型号的焊丝的焊接电流的最大值和最小值；在最大值和最小值之间采样多个测试电流值；计算当焊接电流等于多个测试电流值时电弧焊机的多个总能耗值；选择所述多个总能耗值中的最小能耗值；根据最小能耗值对应的焊接电流值计算最小能耗值对应的工作参数，并使用这些工作参数去设置电弧焊机。与现有技术相比，本发明的电弧焊机及其控制方法可以在每一次工艺人员选择了焊丝的时候，自动计算该型号的焊丝的最小能耗对应的焊机的工作参数，从而减少了能耗，并且避免了人为操作的主观性和不确定性，提高了效率。

Description

电弧焊机的节能控制方法和装置

技术领域

本发明涉及焊机领域，尤其涉及电弧焊机及其节能控制方法。

背景技术

电弧焊机是使用减压变压器将220伏市电或者380伏工业用电降低电压，升高电流，从而利用电能产生的巨大热量融化金属焊条，从而达到焊接的作用。在现有技术中，电弧焊机工作所需的焊接工艺参数（例如：焊接电流、电弧电压和焊接速度）通常是根据经验公式选择工艺参数的范围，然后根据工艺人员的个人经验确定工艺参数的精确取值。例如，在选取焊接电流时，工艺人员首先根据焊丝直径和常用的经验公式计算焊接电流的取值范围，然后对焊材进行试焊，在此过程中依据个人经验对焊接电流进行调整，确定最后取值。其他参数如电弧电压和焊接速度的选择通常也是采用此种方法。然而，由于人为操作的主观性和不确定性，采用这种方式确定的工艺参数的电焊机往往焊接效率低且耗能大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电弧焊机及其节能控制方法，以在每次确定焊丝型号以后自动设定电弧焊机参数，使其工作在最小能耗状态，避免人为操作的主观性和不确定性。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供了一种控制电弧焊机的方法，所述电弧焊机包括焊丝和变压器，所述变压器接收输入电压，并产生焊接电压和焊接电流供给所述焊丝，

其特征在于，控制电弧焊机的方法包括以下步骤：

接收表示工件厚度的焊件数据，并根据所述焊件数据从所述存储器中读取符合所述工件厚度的工艺要求的焊丝牌号，供工艺人员选择；

读取多种焊丝的参数，所述参数包括所述多种焊丝的直径；

接收表示所述焊丝的型号的焊丝选择信号；

根据所述型号从所述多种焊丝的参数中选择所述焊丝的直径；

根据所述焊丝直径计算所述型号的焊丝的焊接电流的最大值和最小值；

在所述焊接电流的最大值和最小值之间采样多个测试电流值；

计算当所述焊接电流等于所述多个测试电流值时所述电弧焊机的多个总能耗值，其中，所述总能耗是所述电弧焊机空载散热阶段的能耗和负载运行阶段的能耗的总和；

选择所述多个总能耗值中的最小能耗值，并且确定所述最小能耗值对应的焊接电流值；

根据所述最小能耗值对应的焊接电流值计算所述最小能耗值对应的工作参数，所述工作参数包括所述最小能耗值对应的焊接电流、焊接电压和焊接速度；以及

根据所述最小能耗值对应的工作参数控制所述变压器，从而使得所述变压器的能耗等于所述最小能耗值。

在一个实施例中，所述计算多个总能耗值的步骤包括：

将所述多个焊接测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\≤I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{I_2\left[(A_1+B_1{I}_2)\right]}{{\mathrm{\η}}_2}\·{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\·\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\η}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\η}}_2}\·{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\·\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\η}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机的空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示所述焊机的工作周期，I₂表示所述测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示所述焊机的热输入，I_T1表示阈值电流，A₁、B₁表示经验系数，C₁表示经验电压值。

在另一个实施例中，所述计算多个总能耗值的步骤包括：

将所述多个焊接测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机的空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示所述焊机的工作周期，I₂表示所述测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示所述焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示所述焊机的热输入，I_T2和I_T3表示阈值电流，A₂、A₃、B₂和B₃表示经验系数，C₂表示经验电压值。

本发明还提供了一种焊机，包括：

焊丝；以及

与所述焊丝相连的变压器，所述变压器接收输入电压，并产生焊接电压和焊接电流供给所述焊丝，

其特征在于，所述焊机还包括：

存储器，用于存储多种焊丝的参数，所述参数包括所述多种焊丝的直径；以及

与所述变压器和所述存储器相连的控制器，所述控制器包括：

电流范围模块，用于接收表示所述焊丝的型号的焊丝选择信号，根据所述焊丝选择信号读取所述存储器中所述型号对应的焊丝直径，并根据所述焊丝直径计算所述型号的焊丝的焊接电流的最大值和最小值；

总能耗模块，用于在所述焊接电流的最大值和最小值之间采样多个测试电流值，计算当所述焊接电流等于所述多个测试电流值时所述电弧焊机的多个总能耗值，其中，所述总能耗是所述电弧焊机空载散热阶段的能耗和负载运行阶段的能耗的总和；

比较模块，用于比较所述多个总能耗值，根据所述比较结果选择所述总能耗值中的最小能耗值，并且确定所述最小能耗值对应的焊接电流值；

参数计算模块，用于根据所述最小能耗值对应的焊接电流值计算所述最小能耗值对应的工作参数，所述工作参数包括所述最小能耗值对应的焊接电流、焊接电压和焊接速度；以及

输出模块，用于根据所述最小能耗值对应的工作参数控制所述变压器，从而使得所述焊机的能耗等于所述最小能耗值。

其中，所述控制器还包括：

焊丝选择模块，用于接收表示工件厚度的焊件数据，并根据所述焊件数据从所述存储器中读取符合所述工件厚度的工艺要求的焊丝牌号。

在一个实施例中，所述总能耗模块将所述多个焊接测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{I_2\left[(A_1+B_1{I}_2)\right]}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机的空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示焊机的工作周期，I₂表示所述焊接测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示所述焊机的热输入，I_T1表示阈值电流，A₁、B₁表示经验系数，C₁表示经验电压值。

在另一个实施例中，所述总能耗模块将所述多个测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示所述焊机的工作周期，I₂表示所述焊接测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示所述焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示焊机的热输入，I_T2和I_T3表示阈值电流，A₂、A₃、B₂和B₃表示经验系数，C₂表示经验电压值。

与现有技术相比，本发明的电弧焊机及其控制方法可以在每一次工艺人员选定了焊丝的时候，自动确定该型号的焊丝对应的最小能耗值，并给出最小能耗对应的焊机的工作参数，即焊接电流、焊接电压和焊接速度。根据这些工作参数设定的电弧焊机可以保持工作在最小能耗状态，从而减少了能耗。并且避免了人为操作的主观性和不确定性，提高了效率。

附图说明

图1所示为根据本发明的实施例的电弧焊机的结构示意图。

图2所示为根据本发明的实施例的控制器的工作流程图。

图3所示为根据本发明的实施例的控制器的结构示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

图1所示为根据本发明的实施例的电弧焊机100的结构示意图。在图1的实施例中，电弧焊机100包括变压器102、存储器108、控制器104和焊丝106。变压器102接收输入电压V_IN，并产生焊接电压U₂和焊接电流I₂供给焊丝106。存储器108中存储了多种工件厚度对应的焊丝型号和每一种型号的焊丝的参数（例如：焊丝直径、化学成分、库存数量等）。

在一个实施例中，工艺人员可以通过人机交互接口110输入当前焊件的厚度，由此，人机交互接口110产生表示当前工件厚度的焊件信号112。控制器104接收焊件信号112，选择符合该工件厚度的一个或多个焊丝型号，并产生表示该一个或多个焊丝型号焊丝信号114。举例说明，表1提供了符合工件厚度的焊丝型号对应的焊丝直径的实例。如表1所示，当工件厚度小于等于1.5毫米时，则选择直径为1.5毫米的焊丝能够符合工艺要求。同理，当工件厚度为2毫米、3毫米、4-5毫米、6-12毫米和大于13毫米，则分别选择直径为1.5毫米、2毫米、3.2毫米、3.2-4毫米、4-5毫米和5-6毫米的焊丝能够符合工艺要求。由此可以看出，每一种工件厚度可能对应工艺允许的一种或多种焊丝型号。人机交互接口110根据可用焊丝信号114通知工艺人员可用的焊丝型号。工艺人员依据焊丝的化学成分、直径、库存量等信息对焊丝进行选择，确定本次焊接工艺中所选择的焊丝。当焊丝确定后，人机交互接口110发出焊丝选择信号116，通知控制器104所选的焊丝型号。在图1中，焊丝106表示工艺人员已经选取的焊丝。在一个实施例中，控制器104读取存储器108中的所选焊丝的直径d，并根据所选焊丝的直径d计算出变压器102工作在最小能耗状态下的各种运行参数（例如：焊接电流I₂、焊接电压U₂和焊接速度V）。由此，根据这些运行参数设置电弧焊机100，可以使其工作在最小能耗状态。控制器104的具体工作流程和模块结构将分别在图2和图3中描述。

表1

图2所示为根据本发明的实施例的控制器104的工作流程图。图2将结合图1进行描述。在步骤202中，控制器104在存储器108中读取多种焊丝的参数。焊丝的参数包括焊丝的型号和直径。在步骤204中，控制器104接收表示工艺人员选择的焊丝106的型号的焊丝选择信号116。在步骤206中，根据焊丝106的型号从多种焊丝的参数中读取焊丝106的直径d。

在步骤208中，根据焊丝106的直径d计算焊丝106的焊接电流I₂的最大值I_2MAX和最小值I_2MIN，即焊接电流I₂的取值范围。具体地讲，焊接电流I₂可由式（1）表示：

I₂=Kd    （1）

其中，d表示焊丝106的直径，K表示经验系数。举例说明，表2给出了焊丝直径d和经验系数K之间的关系。如表2所示，当焊丝直径d在1至2毫米、2至4毫米和4至6毫米范围内时，经验系数K分别为25至30、30至40和40至60。由此可见，对于特定焊丝106的直径d，通过式（1）计算将得到焊接电流I₂的取值范围，即I₂的电流最大值I_2MAX和电流最小值I_2MIN。

表2

在步骤210中，在焊接电流的最大值I_2MAX和电流最小值I_2MIN之间采样多个测试电流值。在步骤212中，计算当焊接电流I₂等于该多个测试电流值时电弧焊机100的多个总能耗值。其中，电弧焊机100的总能耗是电弧焊机100空载散热阶段的能耗和负载运行阶段的能耗的总和。在一个实施例中，电弧焊机100总能耗值根据工艺的不同可以由式（2-1）或式（2-2）表示。

具体地讲，如果工艺为药皮焊条手工电弧焊、惰性气体钨极保护焊（TIG）焊、熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护电弧焊（即MIG/MAG）、埋弧焊、等离子焊接和等离子气割，则电弧焊机100总能耗值可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{I_2\left[(A_1+B_1{I}_2)\right]}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.---(2-1)$

如果工艺为等离子切割工艺，电弧焊机100总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.---(2-2)$

为说明清楚，以下将详细讲述电弧焊机100的总能耗的数学模型（即式（2-1）和式（2-1））的推导过程。

在焊接过程中，为保证焊机有足够的散热时间，焊接过程分为负载运行阶段和空载散热阶段，用焊机工作周期T和负载持续率k表示。具体来说，如焊机额定负载持续率k为60%，则表示在一个工作周期T内，60%的时间用于焊机负载运行，40%的时间用于焊机空载散热。工作周期T在标准GB/T8118-2010中规定为10分钟。

因此，焊接过程的能耗E可以表示为：

$E=[P_0(1-k)+P_{1}k]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{T_{\mathrm{all}}}{T}]+1\}T---\left(3\right)$

负载持续率k与焊接电流I₂的关系可表示为：

其中，I₀表示电弧焊机100的额定电流。因此，在焊接电流为I₂时，焊机的负载持续率k可表示为：

$k={\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0---\left(4\right)$

其中，k₀表示电弧焊机100的额定负载持续率。

此外，焊接时间可通过焊缝长度H与焊接速度V计算得出：

$T_{\mathrm{all}}=\frac{H}{V}---\left(5\right)$

焊缝长度H可通过测量得出，焊接速度V与焊接过程中的焊接电流、电弧电压、热输入、焊机热效率等参数有关。本发明的实施例采用以下方法求解焊接速度V。

首先，电弧焊机100的热输入q可表示为：

$q=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_1{U}_2{I}_2}{V}---\left(6\right)$

其中，η₁表示焊机100的热效率，U₂表示焊机100的电弧电压。

然后，电弧电压U₂可根据标准GB15579.1-2004所规定的方法计算得出。

如果工艺为药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接和等离子气割，电弧电压U₂可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:U_2=A_1+B_1{I}_2\\ I_2>I_{T1}:U_2=C_1\end{array}\right.---(7-1)$

如果工艺为等离子切割，，电弧电压U₂可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:U_2=A_2+B_2{I}_2\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:U_2=A_3+B_3\\ I_2>I_{T3}:U_2=C_2\end{array}\right.---(7-2)$

式中，I_T1、I_T2和I_T3表示阈值电流，A₁、A₂、A₃、B₁、B₂和B₃表示经验系数，C₁和C₂表示经验电压值。在具体的实施例中，上述阈值电流、经验系数和经验电压值根据具体工艺的不同具有不同值，均可在标准GB15579.1-2004中查询得到。例如：在药皮焊条手工电弧焊的工艺中（如公式（7-1）），I_T1取值为600安培，A₁取值为20，B₁取值为0.04，以及C₁取值为44伏特。因此，在这种工艺下，电弧电压U₂可重新表示为：

$\left\{\begin{array}{cc}{I}_2\&le;I_{T1}:U_2=(20+0.04I_2)& V\\ I_2>I_{T1}:U_2=44& V\end{array}\right.$

同理，在其他工艺下，只需将对应的阈值电流、经验系数和经验电压值代入公式（7-1）或（7-2）即可得到电弧电压U₂。

联立式（6）和式（7-1），得出药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接和等离子气割工艺条件下焊接速度V与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:V=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_2}{q}\\ I_2>I_{T1}:V=\frac{C_1{\mathrm{\&eta;}}_1{I}_2}{q}\end{array}\right.---(8-1)$

联立式（6）和式（7-2），得出等离子切割工艺条件下焊接速度V与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:V=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_2}{q}\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:V=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_2}{q}\\ I_2>I_{T3}:V=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_2}{q}\end{array}\right.---(8-2)$

将式（8-1）带入式（5），得出药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接和等离子气割工艺条件下焊接时间T_all与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:T_{\mathrm{all}}=\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_2}\\ I_2>I_{T1}:T_{\mathrm{all}}=\frac{\mathrm{Hq}}{C_1{\mathrm{\&eta;}}_1{I}_2}\end{array}\right.---(9-1)$

将式（8-2）带入式（5），得出等离子切割工艺条件下焊接时间T_all与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:T_{\mathrm{all}}=\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_2}\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:T_{\mathrm{all}}=\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_2}\\ I_2>I_{T3}:T_{\mathrm{all}}=\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_2}\end{array}\right.---(9-2)$

然后分析焊机负载运行功率与焊接电流的关系。焊机负载运行功率P₁可由电弧电压U₂、焊接电流I₂及焊机功率因素η₂表示，如式（10）所示：

P₁=U₂I₂/η₂    （10）

将式（8-1）和式（8-2）分别带入式（10），得出在不同工艺条件下，焊机负载运行功率P₁与焊接电流I₂的关系。

在药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接和等离子气割工艺条件下，焊机负载运行功率P₁与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:P_1=\frac{(A_1+B_1{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\\ I_2>I_{T1}:P_1=\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\end{array}\right.---(11-1)$

在等离子切割工艺条件下，焊机负载运行功率P₁与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:P_1=\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:P_1=\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\\ I_2>I_{T3}:P_1=\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\end{array}\right.---(11-2)$

将式（4）-式（11）带入式（3），分别得出不同工艺条件下焊接过程能耗与焊接电流的函数关系，即式（2-1）和式（2-2），为了描述方便，以下再次列出公式（2-1）和公式（2-2）。

在药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接和等离子气割工艺条件下，焊接过程能耗与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{I_2\left[(A_1+B_1{I}_2)\right]}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.---(2-1)$

在等离子切割工艺条件下，焊接过程能耗与焊接电流I₂之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.---(2-2)$

其中，E表示焊接过程总能耗，P₀表示焊机空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示焊机负载功率，T表示焊机的工作周期，I₂表示焊接电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示电弧焊机的热输入。

因此，在图2的步骤212中，在焊接电流的最大值I_2MAX和最小值I_2MIN之间选择多个测试电流值，则每一个测试电流值带入式（2-1）或式（2-2）都可得到一个总能耗值。

在步骤214中，选择计算所得的多个总能耗值中的最小能耗值E_MIN，并且确定最小能耗值对应的焊接电流值I_{2_EMIN}。例如，如果是药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接或等离子气割工艺，则将E_MIN代回式（2-1），则可得到E_MIN对应的焊接电流值I_{2_EMIN}。同理，如果是等离子切割工艺条件下，则将E_MIN代回式（2-2），则可得到E_MIN对应的焊接电流值I_{2_EMIN}。

在步骤216中，根据最小能耗值E_MIN对应的焊接电流值I_{2_EMIN}计算所述最小能耗值E_MIN对应的工作参数。该工作参数包括最小能耗值对应的焊接电流I_{2_EMIN}、焊接电压U_{2_EMIN}和焊接速度V_EMIN。例如，如果是药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接或等离子气割工艺，则将I_{2_EMIN}代入式（7-1）和式（8-1）则可得到焊接电压U_{2_EMIN}和焊接速度V_EMIN。同理，如果是等离子切割工艺条件，则将I_{2_EMIN}代入式（7-2）和式（8-2）则可得到焊接电压U_{2_EMIN}和焊接速度V_EMIN。

在步骤218中，根据最小能耗值E_MIN对应的工作参数控制变压器102，从而使得焊机100的能耗等于最小能耗值E_MIN。例如，控制器104设置焊接电流、焊接电压和焊接速度分别为I_{2_EMIN}、U_{2_EMIN}和V_EMIN，则可以使得变压器102的能耗等于最小能耗值E_MIN。

优点在于，每一次当工艺人员选定了焊丝的时候，控制器104根据图2的流程200进行计算，自动确定使用特定型号的焊丝对应的最小能耗值，并给出最小能耗对应的焊机的工作参数，即焊接电流、焊接电压和焊接速度。根据这些工作参数设定的电弧焊机可以保持工作在最小能耗状态，从而减少了能耗。并且避免了人为操作的主观性和不确定性，提高了效率。

在一个实施例中，控制器104将计算出的特定型号的焊丝对应的工作参数存储到存储器108。由此，当工艺人员再次选择这种焊丝的时候，控制器104可以直接调用之前已经计算出的该种焊丝对应的最小能耗的工作参数，从而更快的设置电弧焊机，使得电弧焊机工作在最小能耗状态。

图3所示为根据本发明的实施例的控制器104的结构示意图。图3将结合图1和图2进行描述。在图3的实施例中，控制器104包括电流范围模块302、总能耗模块304、比较模块306、焊丝选择模块308、参数计算模块310和输出模块312。焊丝选择模块308接收表示工件厚度的焊件信号102，并根据焊件信号102从存储器108中读取符合工件厚度的工艺要求的焊丝牌号。工艺人员根据焊件信号102的信息选择焊丝106的型号。电流范围模块302接收表示焊丝106的型号的焊丝选择信号116，根据所述焊丝选择信号116读取存储器108中的焊丝106对应的焊丝直径，并根据焊丝直径计算焊丝106的焊接电流的最大值和最小值，即焊接电流范围。总能耗模块304在焊接电流的最大值和最小值之间采样多个测试电流值，并计算当焊接电流等于多个测试电流值时电弧焊机100的多个总能耗值，其中，总能耗是电弧焊机空载散热阶段的能耗和负载运行阶段的能耗的总和。更具体地说，如果是药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接或等离子气割工艺，总能耗模块304是根据式（2-1）计算多个能耗值；如果是等离子切割工艺条件，总能耗模块304是根据式（2-2）计算多个能耗值。比较模块306比较多个总能耗值，根据比较结果选择总能耗值中的最小能耗值，并且确定最小能耗值对应的焊接电流值。参数计算模块根据最小能耗值对应的焊接电流值计算最小能耗值对应的工作参数，其中，这些工作参数包括最小能耗值对应的焊接电流、焊接电压和焊接速度。更具体地说，如果是药皮焊条手工电弧焊、TIG焊、MIG/MAG焊、埋弧焊、等离子焊接或等离子气割工艺，参数计算模块310是根据式（2-1）、（7-1）和（8-1）计算这些工作参数；如果是等离子切割工艺条件，参数计算模块310是根据式（2-2）、（7-2）和（8-2）计算这些工作参数。输出模块312根据最小能耗值对应的工作参数控制变压器102，从而使得变压器102的能耗等于最小能耗值。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。

Claims (8)

1.一种控制焊机的方法，所述焊机包括焊丝和变压器，所述变压器接收输入电压，并产生焊接电压和焊接电流供给所述焊丝，

其特征在于，控制焊机的方法包括以下步骤：

读取多种焊丝的参数，所述参数包括所述多种焊丝的直径；

接收表示所述焊丝的型号的焊丝选择信号；

根据所述型号从所述多种焊丝的参数中选择所述焊丝的直径；

根据所述焊丝直径计算所述型号的焊丝的焊接电流的最大值和最小值；

在所述焊接电流的最大值和最小值之间采样多个测试电流值；

计算当所述焊接电流等于所述多个测试电流值时所述焊机的多个总能耗值，其中，所述总能耗是所述焊机空载散热阶段的能耗和负载运行阶段的能耗的总和；

选择所述多个总能耗值中的最小能耗值，并且确定所述最小能耗值对应的焊接电流值；

根据所述最小能耗值对应的焊接电流值计算所述最小能耗值对应的工作参数，所述工作参数包括所述最小能耗值对应的焊接电流、焊接电压和焊接速度；以及

根据所述最小能耗值对应的工作参数控制所述变压器，从而使得所述变压器的能耗等于所述最小能耗值。

2.根据权利要求1所述的控制焊机的方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收表示工件厚度的焊件信号，并根据所述焊件信号从所述存储器中读取符合所述工件厚度的工艺要求的焊丝牌号。

3.根据权利要求1所述的控制焊机的方法，其特征在于，所述计算多个总能耗值的步骤还包括：

将所述多个焊接测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{I_2\left[(A_1+B_1{I}_2)\right]}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机的空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示所述焊机的工作周期，I₂表示所述测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示所述焊机的热输入，I_T1表示阈值电流，A₁、B₁表示经验系数，C₁表示经验电压值。

4.根据权利要求1所述的控制焊机的方法，其特征在于，所述计算多个总能耗值的步骤还包括：

将所述多个焊接测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机的空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示所述焊机的工作周期，I₂表示所述测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示所述焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示所述焊机的热输入，I_T2和I_T3表示阈值电流，A₂、A₃、B₂和B₃表示经验系数，C₂表示经验电压值。

5.一种焊机，包括

焊丝；以及

与所述焊丝相连的变压器，所述变压器接收输入电压，并产生焊接电压和焊接电流供给所述焊丝，

其特征在于，所述焊机还包括：

存储器，用于存储多种焊丝的参数，所述参数包括所述多种焊丝的直径；以及

与所述变压器和所述存储器相连的控制器，所述控制器包括：

电流范围模块，用于接收表示所述焊丝的型号的焊丝选择信号，根据所述焊丝选择信号读取所述存储器中所述型号对应的焊丝直径，并根据所述焊丝直径计算所述型号的焊丝的焊接电流的最大值和最小值；

总能耗模块，用于在所述焊接电流的最大值和最小值之间采样多个测试电流值，计算当所述焊接电流等于所述多个测试电流值时所述焊机的多个总能耗值，其中，所述总能耗是所述焊机空载散热阶段的能耗和负载运行阶段的能耗的总和；

比较模块，用于比较所述多个总能耗值，根据所述比较结果选择所述总能耗值中的最小能耗值，并且确定所述最小能耗值对应的焊接电流值；

参数计算模块，用于根据所述最小能耗值对应的焊接电流值计算所述最小能耗值对应的工作参数，所述工作参数包括所述最小能耗值对应的焊接电流、焊接电压和焊接速度；以及

输出模块，用于根据所述最小能耗值对应的工作参数控制所述变压器，从而使得所述变压器的能耗等于所述最小能耗值。

6.根据权利要求5所述的焊机，其特征在于，所述控制器还包括：

焊丝选择模块，用于接收表示工件厚度的焊件数据，并根据所述焊件数据从所述存储器中读取符合所述工件厚度的工艺要求的焊丝牌号。

7.根据权利要求5所述的焊机，其特征在于，所述总能耗模块将所述多个测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{I_2\left[(A_1+B_1{I}_2)\right]}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T1}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_1{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_1+B_1{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机的空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示焊机的工作周期，I₂表示所述焊接测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示所述焊机的热输入，I_T1表示阈值电流，A₁、B₁表示经验系数，C₁表示经验电压值。

8.根据权利要求5所述的焊机，其特征在于，所述总能耗模块将所述多个测试电流分别代入以下公式进行计算得到所述多个总能耗值：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_2\&le;I_{T2}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_2+B_2{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_2+B_2{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_{T2}<I_2\&le;I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{(A_3+B_3{I}_2)I_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1(A_3+B_3{I}_2)I_{2}T}]+1\}T\\ I_2>I_{T3}:E=[P_0(1-{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0)+\frac{C_2{I}_2}{{\mathrm{\&eta;}}_2}\&CenterDot;{\left(\frac{I_0}{I_2}\right)}^2{k}_0]\&CenterDot;\left\{\right[\frac{\mathrm{Hq}}{{\mathrm{\&eta;}}_1{C}_2{I}_{2}T}]+1\}T\end{array}\right.$

其中，E表示所述总能耗，P₀表示所述焊机空载功率，k表示负载持续率，k₀表示额定负载持续率，P₁表示所述焊机的负载功率，T表示所述焊机的工作周期，I₂表示所述焊接测试电流值，I₀表示额定焊接电流值，I_T表示阈值电流，η₁表示所述焊机的热效率，H表示焊缝长度，q表示焊机的热输入，I_T2和I_T3表示阈值电流，A₂、A₃、B₂和B₃表示经验系数，C₂表示经验电压值。

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