CN104842041B - 利用焊条自动平焊装置进行焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用焊条自动平焊装置进行焊接的方法，自动平焊装置主要由机架、焊条夹具、位置调节支架、焊条垂直运动机构、工件安放平台、水平二维运动平台组成，并通过主要由PLC、焊条短路回抽电路和弧压反馈电路组成的控制系统进行控制。本技术方案代替手工进行平焊位置的焊条电弧焊，用于在高压以及辐射环境等人员不能进入的场合进行焊条电弧焊工艺试验，用于特殊环境下焊条电弧焊的工艺研究。

Description

利用焊条自动平焊装置进行焊接的方法
本发明申请是母案申请“一种焊条自动平焊装置”的分案申请，母案申请申请号为2013101625975，申请日为2013年5月6日。
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，更加具体地说，涉及一种焊条自动平焊装置。
背景技术
焊条电弧焊是工业上最为广泛使用的一种焊接方式，设备简单，成本低廉。焊条电弧焊通常是手工操纵焊条进行焊接的金属加工方法。焊条通过电焊钳夹持接焊接电源一极，工件通过导线接焊接电源的另一极，引弧和电弧燃烧是在焊条端部与工件之间进行。其作为连接材料的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门制造中，相应的焊条电弧焊的各种工艺试验也越来越多。然而有些焊条电弧焊的工艺试验需要在高压以及辐射等环境中进行，由于实验人员不能进入这种危险场合进行操作，需要使用能够使焊条自动施焊的专门设备来代替手工。为了实现在实验人员不能进入的高压、辐射等危险环境下进行焊条电弧焊，必须开发一套能够使焊条自动施焊的专门设备，用于特殊环境下焊条电弧焊的工艺研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种焊条自动平焊设备极其控制方法，以代替手工进行平焊位置的焊条电弧焊，用于在高压以及辐射环境等人员不能进入的场合进行焊条电弧焊工艺试验，用于特殊环境下焊条电弧焊的工艺研究。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种焊条自动平焊装置，包括主要由机架、焊条夹具、位置调节支架、焊条垂直运动机构、工件安放平台、水平二维运动平台组成的机械运动机构和主要由PLC、焊条短路回抽电路和弧压反馈电路组成的控制系统：
在所述机械运动机构中，所述焊条垂直运动机构连接在所述机架的上方，所述位置调节支架连接在焊条垂直运动机构上，所述焊条夹具连接在位置调节支架的下端；所述工件安放平台固定在水平二维运动平台上，以实现在水平面的移动。
所述的焊条垂直运动机构和水平二维运动平台各轴均采用丝杠传动，以实现精确度高，灵敏度高，稳定性好的三维方向的位置移动。
所述位置调节支架既可以调节焊条与工件在垂直方向上的相对位置，还可以调节焊条与工件的夹角，用于实现自动平焊时焊条的前倾和后倾。
在进行使用时，为了试验人员操作方便，应用相对运动原理，采用焊条固定、工件运动的方式进行焊接，水平二维运动平台实现工件在水平X、Y方向上的运动，焊条垂直运动机构实现在垂直方向上送进或回抽焊条。
在所述控制系统中，所述PLC用于控制和协调水平二维运动平台和焊条垂直运动机构的运动；所述焊条短路回抽电路用于焊条引弧；所述弧压反馈电路用于焊接过程中调节焊条的送进速度，其中
所述焊条短路回抽电路由弧压检出继电器、延时通电型时间继电器和换向接触器组成，按下焊接开始按钮，焊条向下送进，未接触工件前，焊接电压为空载电压，空载电压为76V左右，此时稳压管反向导通，弧压检出继电器线圈通电，弧压检出继电器的常闭触点处于断开状态，当焊条与工件接触的瞬间，焊接电压变为0V左右，的常闭触点线圈断电，弧压检出继电器的常闭触点闭合，延时通电型时间继电器和换向接触器线圈通电，换向继电器使送进焊条的电机反向转动，回抽引弧，达到设定的延迟时间后，延时通电型时间继电器的常闭触点断开，延时通电型时间继电器线圈断电，送进焊条的电机恢复到正向转动，系统自动调节到弧压反馈电路向下送进焊条；当焊条与工件接触瞬间，弧压检出继电器线圈断电时，弧压检出继电器的另一个触点给PLC一个输入信号，启动平台运动，实现短路引弧的同时，工件相对于焊条运动。
用于控制焊条送进速度的弧压反馈电路，在确定的参考电压下，当测量的电弧值大于参考电压，反应出焊条前端至工件的距离变长，此时控制系统加快电机转速，从而加快送进焊条的速度，使焊条前端至工件的距离变短，恢复到预期的参考值，反之亦然。
利用本发明的焊条自动平焊装置进行焊接的方法，按照下述步骤进行：
(1)步骤1，开始焊接前，在焊条夹具处人工装配焊条，利用位置调节支架和焊条垂直运动机构调节焊条与工件的垂直距离和角度，利用水平二维运动平台调节焊条前端与焊缝的相对位置；
(2)步骤2，焊接位置调整好后，打开焊接电源，在PLC控制柜上设置工件运动方向和焊接速度；
(3)步骤3，按下焊接开始按钮，焊条缓慢向下送进，焊条与工件接触短路后，焊条短路回抽电路给PLC一个输入信号，启动水平二维运动平台运动，在实现短路引弧的同时，使得工件相对于焊条运动，焊条沿焊缝方向进行平焊；
(4)步骤4，在平焊过程中，采用弧压反馈电路控制焊条送进速度，在确定的参考电压下，当测量的电弧值大于参考电压，反应出焊条前端至工件的距离变长，此时控制系统加快电机转速，从而加快送进焊条的速度，使焊条前端至工件的距离变短，恢复到预期的参考值，反之亦然。
与现有技术相比，本技术方案具有如下有益效果：
1.本发明为焊条电弧焊提供了一种自动平焊设备来代替手工，用于在高压以及辐射环境等人员不能进入的场合进行焊条电弧焊工艺试验，用于特殊环境下焊条电弧焊的工艺研究。
2.运动机构的各轴均采用丝杠传动，精确度高，灵敏度高，稳定性好。
3.该焊条自动施焊装置应用相对运动原理，试验过程采用焊条固定、工件运动的方式进行焊接，为操作人员提供了便利。
4.焊条短路回抽电路和弧压反馈电路，可以代替手工实现焊条回抽引弧和正常焊接，这两个电路控制的灵活性，极大程度地模拟了手工电弧焊时操作人员对焊条的控制，为特殊环境下焊条电弧焊的工艺研究提供了便利。
5.位置调节支架可以调节焊条与工件的夹角，用于实现自动平焊时焊条的前倾和后倾，可以满足不同工艺研究的需求。
附图说明
图1是本发明的焊条自动平焊装置的结构示意图，其中1为机架，2为焊条夹具，3为位置调节支架，4为焊条垂直运动机构，5为工件安放平台，6为水平二维运动平台X方向，7为水平二维运动平台Y方向，8为工件，9为焊条。
图2是利用本发明的焊条自动平焊装置进行焊条自动平焊工作流程图。
图3是本发明的焊条自动平焊装置的控制系统中的焊条短路回抽电路示意图。
图4是本发明的焊条自动平焊装置的控制系统中的焊条送进速度电路切换的原理图。
图5是本发明的焊条自动平焊装置的控制系统中的电压反馈电路原理框图。
图6是利用本发明的技术方案进行焊接的平焊焊缝表面成形形貌。
图7是利用本发明的技术方案进行焊接的焊接接头横截面宏观形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案作详细的进一步说明。
如附图1所示，焊条自动平焊装置主要由机架(1)、焊条夹具(2)、位置调节支架(3)、焊条垂直运动机构(4)、工件安放平台(5)、水平二维运动平台(6、7)组成。所述焊条垂直运动机构连接在所述机架的上方，所述位置调节支架连接在焊条垂直运动机构上，所述焊条夹具连接在位置调节支架的下端；所述工件安放平台固定在水平二维运动平台上，以实现在水平面的移动。所述的焊条垂直运动机构和水平二维运动平台各轴均采用丝杠传动，以实现精确度高，灵敏度高，稳定性好的三维方向的位置移动。
所述的焊条自动平焊装置上的位置调节支架(3)既可以调节焊条与工件在垂直方向上的相对位置，还可以调节焊条(9)与工件(8)的夹角，用于实现自动平焊时焊条(9)的前倾和后倾。
在焊条夹具(2)处将焊条(9)尾部的裸焊芯固定住，焊条(9)向下固定；为了试验人员操作方便，应用相对运动原理，过程采用焊条(9)固定、工件(8)运动的方式进行焊接，水平平台带动工件(8)相对焊条(9)进行运动，水平二维运动平台(6、7)实现工件在水平X、Y方向上的运动，焊条垂直运动机构(4)实现在垂直方向上送进或回抽焊条(9)。
所述的焊条自动平焊装置的控制系统以PLC为控制核心，由焊条短路回抽电路、弧压反馈电路共同组成，PLC用于控制和协调水平二维运动平台(6、7)、焊条垂直运动机构(4)的运动，焊条短路回抽电路用于焊条引弧，弧压反馈电路用于焊接过程中调节焊条的送进速度。其中焊条回抽时间可调，引弧后向下送进焊条的速度是由弧压反馈电路根据电弧电压实时进行调节的，其速度值及弧压反馈值、弧压反馈范围可以预设，以满足研究焊接工艺的需求。
焊条垂直运动机构(3)负责向下以1mm/s的速度送进焊条，当焊条与工件接触后系统自动调整到回抽电路，回抽焊条，此时电弧引燃，且时间继电器开始计时，当回抽时间达到时间继电器设定的延迟时间(一般可选设为0.4—0.5s)后，系统自动调节到弧压反馈电路向下送进焊条，开始焊接。未短路接触前向下送进焊条的速度跟引弧后向下送进焊条的速度是不同的，未短路接触前向下送进焊条的速度是固定的，其速度值可以预设，而引弧后向下送进焊条的速度是由弧压反馈电路根据电弧电压实时进行调节的，其速度值及弧压反馈值、弧压反馈范围可以预设，以满足研究焊条电弧焊焊接工艺的需求。
由图3所示，整个焊条短路回抽电路是这样运行的：图中U+、U-分别接手工焊接电源的正负极，K0、K1和K2分别为弧压检出继电器、延时通电型时间继电器和换向接触器，可采用分别采用欧姆龙(OMRON)的MY4N-J(作为K0)、FUJI的ST3PA-A(作为K1)和LG的LS-GMR-4D(作为K2)。K0-1与K1-1分别为K0的常闭触点与K1的常闭触点。DZ为52V稳压管，SB0-1为焊接开始按钮SB0的常开触点。换向接触器K2控制电机的正反转，K2线圈断电时，电机正转，送进焊条；K2线圈通电时，电机反转，回抽焊条。按下焊接开始按钮SB0，焊条以1mm/s的速度向下送进，未接触工件前，焊接电压为空载电压，空载电压为76V左右，此时稳压管反向导通，K0线圈通电，K0-1处于断开状态，当焊条(9)与工件(8)接触的瞬间，焊接电压变为0V左右，K0线圈断电，K0-1闭合，K1、K2线圈通电，换向继电器使送进焊条(9)的电机反向转动，回抽引弧，达到设定的延迟时间后，K1-1断开，K2线圈断电，送进焊条的电机恢复到正向转动，系统自动调节到弧压反馈电路向下送进焊条。当焊条(9)与工件(8)接触瞬间，K0线圈断电时，K0的另一个触点给PLC一个输入信号，启动平台运动，实现短路引弧的同时，工件相对于焊条运动。正常焊接时，焊接电压始终小于52V，K0线圈始终处于断电状态。
图4为引弧前后焊条送进速度电路切换的原理图，K0-3为K0的一组常开常闭触点，38、128、129为APZ1901-D1电路控制板上(采用天焊电焊机制造有限公司生产的APZ1901-D1电路控制板)的三个接头。-15V接入时，电路控制电机以1mm/s的速度送进焊条，+15V接入时，电路切换为弧压反馈电路，控制电机根据电弧电压实时调节送进焊条的速度。当焊接电压为空载电压，空载电压为76V左右，此时稳压管反向导通，K0线圈通电，K0-3使-15V接入电路，电路控制电机以1mm/s的速度送进焊条，当焊条(9)与工件(8)接触的瞬间，焊接电压变为0V左右，K0线圈断电，K0-3使+15V接入电路，电路切换为弧压反馈电路。
用于控制焊条送进速度的弧压反馈电路，采用天焊电焊机制造有限公司生产的APZ1901-D1电路控制板，其具体功能：在确定的参考电压下，当测量的电弧值大于参考电压，反应出焊条前端至工件的距离变长，此时控制系统加快电机转速，从而加快送进焊条的速度，使焊条前端至工件的距离变短，恢复到预期的参考值，反之亦然。
本发明的工作过程由图2所示，开始焊接前，在焊条夹具(2)处人工装配焊条(9)，利用位置调节支架(3)、焊条垂直运动机构(4)调节焊条(9)与工件(8)的垂直距离和角度，利用水平二维运动平台(6、7)调节焊条前端与焊缝的相对位置，焊接位置调整好后，打开焊接电源，在控制柜上选择工件运动方向、焊接速度，按下焊接开始按钮，焊条缓慢向下送进，焊条与工件接触短路后回抽引弧，与此同时水平二维运动平台(6、7)使工件(8)与焊条(9)发生相对运动，焊条沿焊缝方向进行平焊。
采用Kemppi Master 2850型手工焊接电源；采用E36钢为试板，试板厚度为16mm，长度为250mm，宽度为100mm；采用两块试板对接焊，焊缝接头坡口角度为60°；焊接电流为120A，焊接电压为26-27V，焊接速度为3.0mm/s。使用Broco焊条对焊缝接头进行多层多道焊，每焊一道均将焊渣清理干净后再进行下一道焊接。如附图6和7所示分别为焊缝表面成形宏观形貌和焊接接头横截面宏观形貌，焊接全过程稳定，无中途断弧现象，焊缝成形美观，焊缝质量良好。
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)

1.利用焊条自动平焊装置进行焊接的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
(1)步骤1，开始焊接前，在焊条夹具处人工装配焊条，利用位置调节支架和焊条垂直运动机构调节焊条与工件的垂直距离和角度，利用水平二维运动平台调节焊条前端与焊缝的相对位置；
(2)步骤2，焊接位置调整好后，打开焊接电源，在PLC控制柜上设置工件运动方向和焊接速度；
(3)步骤3，按下焊接开始按钮，焊条缓慢向下送进，焊条与工件接触短路后，焊条短路回抽电路给PLC一个输入信号，启动水平二维运动平台运动，在实现短路引弧的同时，使得工件相对于焊条运动，焊条沿焊缝方向进行平焊；
(4)步骤4，在平焊过程中，采用弧压反馈电路控制焊条送进速度，在确定的参考电压下，当测量的电弧值大于参考电压，反应出焊条前端至工件的距离变长，此时控制系统加快电机转速，从而加快送进焊条的速度，使焊条前端至工件的距离变短，恢复到预期的参考值，反之亦然；
焊条自动平焊装置主要由机架、焊条夹具、位置调节支架、焊条垂直运动机构、工件安放平台、水平二维运动平台组成的机械运动机构和主要由PLC、焊条短路回抽电路和弧压反馈电路组成的控制系统：
在所述机械运动机构中，所述焊条垂直运动机构连接在所述机架的上方，所述位置调节支架连接在焊条垂直运动机构上，所述焊条夹具连接在位置调节支架的下端；所述工件安放平台固定在水平二维运动平台上，以实现在水平面的移动；所述的焊条垂直运动机构和水平二维运动平台各轴均采用丝杠传动；所述位置调节支架既可以调节焊条与工件在垂直方向上的相对位置，还可以调节焊条与工件的夹角，用于实现自动平焊时焊条的前倾和后倾；
在所述控制系统中，所述PLC用于控制和协调水平二维运动平台和焊条垂直运动机构的运动；所述焊条短路回抽电路用于焊条引弧；所述弧压反馈电路用于焊接过程中调节焊条的送进速度，其中
所述焊条短路回抽电路由弧压检出继电器、延时通电型时间继电器和换向接触器组成，按下焊接开始按钮，焊条向下送进，未接触工件前，焊接电压为空载电压，此时稳压管反向导通，弧压检出继电器线圈通电，弧压检出继电器的常闭触点处于断开状态，当焊条与工件接触的瞬间，焊接电压变为0V左右，弧压检出继电器线圈断电，弧压检出继电器的常闭触点闭合，延时通电型时间继电器和换向接触器线圈通电，换向接触器使送进焊条的电机反向转动，回抽引弧，达到设定的延迟时间后，延时通电型时间继电器的常闭触点断开，延时通电型时间继电器线圈断电，送进焊条的电机恢复到正向转动，系统自动调节到弧压反馈电路向下送进焊条；当焊条与工件接触瞬间，弧压检出继电器线圈断电时，弧压检出继电器的另一个触点给PLC一个输入信号，启动平台运动，实现短路引弧的同时，工件相对于焊条运动；所述弧压反馈电路用于控制焊条送进速度的，在确定的参考电压下，当测量的电弧值大于参考电压，反应出焊条前端至工件的距离变长，此时控制系统加快电机转速，从而加快送进焊条的速度，使焊条前端至工件的距离变短，恢复到预期的参考值，反之亦然。
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