CN105149732A - 一种熔化极焊机及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种熔化极焊机及其焊接方法，所述熔化极焊机通过设置高频高压起弧模块来实现高频高压的起弧方式，避免了在焊接起弧时短路火花飞溅现象的出现，通过设置电话长度反馈模块与送丝控制模块，使得在焊接过程中，电弧长度以及送丝速度等焊接参数可控，使其具有非熔化极焊机的焊接速度以及焊接质量。

Description

一种熔化极焊机及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊机领域，尤其涉及一种熔化极焊机及其焊接方法。

背景技术

传统的熔化极焊机采用接触短路起弧,短路起弧时会有火花飞溅的现象，在短路起弧后，在电弧的作用下，焊丝末端形成熔化态的金属球，如图1中的(a)所示，此时电弧长度很短，电弧电压很低，电流很大，电弧温度低、熔解焊丝的能量大；随着熔化的焊丝量增大，电弧长度变大，电弧电压也增大，电弧电流减小，电弧温度升高，熔解焊丝的能量减少,此时焊丝末端的熔滴在重力作用下，熔滴与焊丝相连的部分形成缩径，如图1中的(b)所示；随着熔化的焊丝量进一步增大，电弧长度更长，电弧电压更大，电弧温度更高，缩径进一步变小，所以缩径局部的电流密度激增，产生大量的焦耳热熔化焊丝熔滴，如图1中的(c)所示；当熔滴达到一定限度，熔滴与焊丝分离，并最终落在母材（需要焊接的焊件）上完成一个完整的焊接周期。

可见，在传统熔化极焊机的整个焊接周期过程，电弧长度不断变换、电弧电压不断变换、电弧电流不断变换、电弧温度也不断变换；因此在焊接的过程中，焊丝与母材的热量分配不可控，从而使得在焊接过程中导致存在着不少焊接缺陷，如焊接飞溅、焊接气孔、未熔合、夹渣、填丝量不均匀等问题。另外，传统的熔化极焊机只有单一的直流焊接模式、直流脉冲焊接模式，其应用范围较窄。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种熔化极焊机及其焊接方法，该熔化极焊机采用高频高压起弧方式，没有短路火花飞溅，同时在焊接过程中，电弧长度以及送丝速度等焊接参数可控，可实现非熔化极焊机的焊接速度以及焊接质量；另外，所述熔化极焊机还具有多种焊接方式。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种熔化极焊机，所述熔化极焊机包括具有同步通信接口的控制系统模块，电流取样模块，电压取样模块，依次连接的电源输入模块、直流恒压模块、斩波控制模块、恒流反馈模块以及焊枪，焊枪上连接有用于推送焊丝的送丝装置，所述电流取样模块的输入端与所述直流恒压模块的输出端以及焊枪的输入端均连接，所述电压取样模块的输入端与所述直流恒压模块的输出端以及焊枪的输入端均连接，所述电流取样模块的输出端以及电压取样模块的输出端均与所述控制系统模块连接；

所述熔化极焊机还包括有高频高压起弧模块，电弧长度反馈模块以及送丝控制模块，所述高频高压起弧模块的输入端与焊枪的输入端连接，高频高压起弧模块的输出端与控制系统模块连接；所述电弧长度反馈模块串联连接于所述控制系统模块的同步通信接口与所述焊枪之间，用于焊接时的电弧长度信息反馈至控制系统模块；所述送丝控制模块串联连接于所述控制系统模块的同步通信接口与所述送丝装置之间，用于接收控制系统模块发出所需的送丝控制信号，并将其转化成相应的控制信息，以控制所述送丝装置的送丝速度和/或送丝量。

优选地，所述电弧长度反馈模块包括依次连接的电压获取模块、抗干扰模块以及电弧长度计算模块；所述电压获取模块与所述焊枪连接，以获取焊枪工作时的电压信号；所述抗干扰模块用于将所述电压信号中的干扰信号消除，以获得熔化极焊机焊接时的电弧电压信息；所述电弧长度计算模块用于根据获得的所述电弧电压信息计算出电弧长度信息，并将其反馈至所述控制系统模块。

进一步地，所述熔化极焊机还包括与控制系统模块连接的人机界面操作及显示模块；所述熔化极焊机还包括交直流变换控制模块，该交直流变换控制模块串联连接于所述恒流反馈模块的输出端与所述焊枪的输入端之间。

优选地，所述交直流变换控制模块具有输入正端、输入负端、第一输出端以及第二输出端，所述交直流变换控制模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及第四开关模块；所述输入正端、第一开关模块的输入端、第一开关模块的输出端、第二开关模块的输入端、第二开关模块的输出端以及所述输入负端依次连接，所述输入正端、第三开关模块的输入端、第三开关模块的输出端、第四开关模块的输入端、第四开关模块的输出端以及所述输入负端依次连接；所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端作为所述第一输出端，所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端作为所述第二输出端。

进一步地，所述第二输出端与所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端之间串联连接有LC串联电路。

本发明提供的熔化极焊机，其焊接方法包括：

所述熔化极焊机利用所述高频高压起弧模块，采用高频高压起弧方式进行起弧；

所述电弧长度反馈模块根据从焊枪中获取的信号计算出焊接时的电弧长度信息，并将该电弧长度信息反馈至所述控制系统模块；

所述控制系统模块计算出所述熔化极焊机所需的送丝量，并根据所需的送丝量发出相应的控制信息至所述送丝控制模块；

所述送丝控制模块根据接收到的控制信息，控制所述送丝装置的送丝速度，以使所述熔化极焊机在一个焊接周期内的电弧长度相同或基本相同。

优选地，所述电弧长度反馈模块在计算电弧长度信息时，通过获取焊枪工作时的电压信号，然后消除电压信号中的干扰信号获得电弧电压信号，最后通过电弧长度与电弧电压的正相关关系，计算出电弧长度信息。

优选地，所述电弧长度反馈模块将所述电弧长度信息进行比例、积分或微分的调节处理后再将其反馈至所述控制系统模块。

本发明提供的熔化极焊机利用自带的高频高压起弧模块进行起弧，没有短路火花飞溅，同时在整个焊接周期过程中，电弧长度，焊接电流、送丝速度等焊接参数可控，可实现非熔化极焊机的焊接速度以及焊接质量；另外，所述熔化极焊机还设置有交直流变换控制模块，使得其具有直流、高频直流、直流脉冲、高频直流脉冲、交流、高频交流、交流脉冲、高频交流脉冲等多种焊接模式。

附图说明

附图1为传统的熔化极焊机采用接触短路起弧的示意图；

附图2为本发明实施例中所述熔化极焊机的电路原理模块框图；

附图3为本发明实施例中所述熔化极焊机的另一电路原理模块框图；

附图4为本发明实施例中所述电弧长度反馈模块的原理模块框图；

附图5为本发明实施例中所述交直流变换控制模块的原理模块框图；

附图6为本发明实施例中所述交直流变换控制模块的具体电路原理示图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图2所示，一种熔化极焊机，所述熔化极焊机包括具有同步通信接口的控制系统模块，与控制系统模块连接的人机界面操作及显示模块，电流取样模块，电压取样模块，依次连接的电源输入模块、直流恒压模块、斩波控制模块、恒流反馈模块以及焊枪，焊枪上连接有用于推送焊丝的送丝装置，所述电流取样模块的输入端与所述直流恒压模块的输出端以及焊枪的输入端均连接，所述电压取样模块的输入端与所述直流恒压模块的输出端以及焊枪的输入端均连接，所述电流取样模块的输出端以及电压取样模块的输出端均与所述控制系统模块连接；

所述熔化极焊机还包括有高频高压起弧模块，电弧长度反馈模块以及送丝控制模块，所述高频高压起弧模块的输入端与焊枪的输入端连接，高频高压起弧模块的输出端与控制系统模块连接；所述电弧长度反馈模块串联连接于所述控制系统模块的同步通信接口与所述焊枪之间，用于焊接时的电弧长度信息反馈至控制系统模块；所述送丝控制模块串联连接于所述控制系统模块的同步通信接口与所述送丝装置之间，用于接收控制系统模块发出所需的送丝控制信号（包括送丝速度和/或送丝量），并将其转化成相应的控制信息，以控制所述送丝装置的送丝速度和/或送丝量，实现在一个完整焊接周期内的电弧长度相同。

所述高频高压起弧模块用于在所述熔化极焊机采用高频高压的方式起弧，开始焊接时，通过所述送丝装置推送焊丝，确保焊丝的尾端与母材达到固定的高度L，当焊丝与母材的距离为L时，高频高压起弧模块输出高频高压信号，焊丝与母材之间的保护气体在高频高压的作用下产生电离，从而形成电弧，进而使得熔化极焊机在起弧时，避免了短路火花飞溅的现象出现。

如附图3所示，所述熔化极焊机还包括交直流变换控制模块，该交直流变换控制模块串联连接于所述恒流反馈模块的输出端与所述焊枪的输入端之间。通过设置所述交直流变换控制模块，使得其具有直流、高频直流、直流脉冲、高频直流脉冲、交流、交流高频、交流脉冲、交流高频脉冲等多种焊接模式。

本发明实施例中，所述的电源输入模块、直流恒压模块、斩波控制模块、恒流反馈模块、电流取样模块、电压取样模块，控制系统模块、人机界面操作及显示模块、焊枪、送丝装置等各功能模块或装置均为现有技术可实现的功能模块或装置，在此对其工作原理或其具体组成不再详述。但需说明的是，上述各功能模块中，其可以根据实际需要将多个功能模块集成在一个电路模块来实现其相应的功能，或者某些功能模块的功能不仅可以用现有的硬件电路或装置来实现其功能，还可以通过硬件与软件结合来实现；如电流取样模块、电压取样模块可以集成在控制系统模块中，或者电流取样模块、电压取样模块的功能可以在控制系统模块内通过硬件与软件结合的方式来实现；还可将某一个功能模块分为多个功能模块来实现，如将人机界面操作及显示模块分为人机界面操作模块、人机界面操作模块两个功能模块等。总之，本发明中的各功能模块不限制于任何特定的硬件和软件结合；当然，包括所述高频高压起弧模块、交直流变换控制模块、送丝控制模块也不限于硬件，或硬件与软件结合。

以下对本发明实施例中的电弧长度反馈模块，送丝控制模块、交直流变换控制模块作进一步的描述说明。

如附图4所示，所述电弧长度反馈模块包括依次连接的电压获取模块、抗干扰模块以及电弧长度计算模块；所述电压获取模块与所述焊枪连接，以获取焊枪工作时的电压信号；所述抗干扰模块用于将所述电压信号中的干扰信号消除，以获得熔化极焊机焊接时的电弧电压信息；所述电弧长度计算模块用于根据获得的所述电弧电压信息计算出电弧长度信息，并将其反馈至所述控制系统模块。

所述电弧长度反馈模块在计算电弧长度信息时，通过获取焊枪工作时的电压信号，然后消除电压信号中的干扰信号获得电弧电压信号，最后通过电弧长度与电弧电压的正相关关系，计算出电弧长度信息。

由于该熔化极焊机采用高频高压的起弧方式，在起弧时会产生高频高压的干扰信号，同时在获取焊枪工作时的电压信号的过程中，采样时存在着熔化极焊机中的一些特定频率干扰信号，因此为了获得实际的电弧长度数据，通过抗干扰模块来消除上述的干扰信号（包括高频高压干扰信号与特定频率干扰信号）。其中，在消除干扰信号的过程中，可通过硬件电路的方式来消除高频高压干扰信号，通过软件方式来对特定频率干扰信号进行消除。

优选地，为了获得更加准确的电弧长度数据，所述电弧长度反馈模块在将所述电弧长度信息进行比例、积分或微分的调节处理与修正处理后，再将其反馈至所述控制系统模块。

所述的送丝控制模块用于接收控制系统模块发出焊枪所需的送丝控制信号，并将其转化成相应的控制信息，控制所述送丝装置推送焊丝的送丝速度。焊接电流的大小，与送丝速度、焊丝大小，母材厚薄等焊接工艺参数密切相关。在其他焊接工艺参数不变的情况下，焊接电流与送丝速度存在着正相关的关系。因此，控制系统模块通过获取焊接电流信息（如通过所述电流采样模块进行获取），并在控制系统模块内置相应的焊接工艺参数（如焊丝大小、母材厚薄等参数），最后计算出在焊接时焊枪所需的送丝速度。

所述熔化极焊机在焊接过程中，焊丝在相应的送丝速度、焊接电流的同步配合下，最终实现了在一个完整焊接周期内的电弧长度固定（即在一焊接周期内，电弧长度相同或基本相同）。由于电弧长度固定，电弧电压相应固定，焊接电流固定、电弧温度恒定，送丝速度恒定，因此本发明实施例提供的熔化极焊机可以实现非熔化极的焊接质量与焊接速度，很好地解决了传统的熔化极焊机存在的一些焊接问题，如焊接飞溅、焊接气孔、未熔合、夹渣、填丝量不均匀等问题。

适当的送丝速度是所述熔化极焊机实现具有非熔化极的焊接效果的必备条件，而电弧长度反馈模块则是确保该焊接效果的条件，利用电弧长度反馈模块反馈的信息，控制系统模块动态微调焊接电流与送丝速度的关系，从而确保所述熔化极焊机始终运行于电弧长度固定的焊接模式中，使其具有非熔化极的焊接效果。

以下简要说明本发明实施例提供的熔化极焊机的焊接方法，所述焊接方法包括：

所述熔化极焊机利用所述高频高压起弧模块，采用高频高压起弧方式进行起弧；

所述电弧长度反馈模块根据从焊枪中获取的信号计算出焊接时的电弧长度信息，并将该电弧长度信息反馈至所述控制系统模块；

所述控制系统模块计算出所述熔化极焊机所需的送丝速度，并根据所需的送丝速度发出相应的控制信息至所述送丝控制模块；

所述送丝控制模块根据接收到的控制信息，控制所述送丝装置的送丝速度，以使所述熔化极焊机在一个焊接周期内的电弧长度相同或基本相同。

其中，所述电弧长度反馈模块在计算电弧长度信息时，通过获取焊枪工作时的电压信号，然后消除电压信号中的干扰信号获得电弧电压信号，最后通过电弧长度与电弧电压的正相关关系，计算出电弧长度信息。优选地，为了获得更加准确的电弧长度数据，所述电弧长度反馈模块在将所述电弧长度信息进行比例、积分或微分的调节处理与修正处理后，再将其反馈至所述控制系统模块。

为了解决传统的熔化极焊机只有单一的直流焊接模式、直流脉冲焊接模式，应用范围较窄的问题，本发明实施例中的熔化极焊机优选设置了交直流变换控制模块。

如附图5所示，所述交直流变换控制模块具有输入正端、输入负端、第一输出端以及第二输出端，所述交直流变换控制模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及第四开关模块；所述输入正端、第一开关模块的输入端、第一开关模块的输出端、第二开关模块的输入端、第二开关模块的输出端以及所述输入负端依次连接，所述输入正端、第三开关模块的输入端、第三开关模块的输出端、第四开关模块的输入端、第四开关模块的输出端以及所述输入负端依次连接；所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端作为所述第一输出端，所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端作为所述第二输出端。另外，所述第二输出端与所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端之间串联连接有LC串联电路。

优选地，所述第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及第四开关模块为相同的开关电路，所述开关电路包括一开关功率器件，一电容以及一二极管，所述电容并联连接于所述开关功率器件的漏极与源极之间，或者所述电容并联连接于所述开关功率器件的集电极与发射极之间；所述二极管的正极与所述开关功率器件的漏极或集电极连接，所述二极管的负极与所述开关功率器件的源极或发射极连接；所述开关功率器件的漏极或集电极作为各开关模块的输入端，所述开关功率器件的源极或发射极作为各开关模块的输出端，所述开关功率器件的栅极或基极连接有一用于控制开关功率器件导通或截止的开关信号源。

附图6为所述交直流变换控制模块具体的电路原理示图，本实施例中的所述的开关功率器件以MOS管为具体实施例；如附图4所示，所述交直流变换控制模块包括MOS管Q1、Q2、Q3、Q4，二极管D1、D2、D3、D4，电容C1、C2、C3、C4、C5以及电感L1。其中，电感L1与电容C5串联连接组成所述LC串联电路。各MOS管、二极管以及电容等元件的连接关系如附图4所示，这里不再详述。另外，各MOS管的栅极连接一开关信号源（图4中并未画出），用于控制控制各MOS管的导通或截止。通过控制交直流模块中的各开关功率器件（MOS管Q1、Q2、Q3、Q4）的开关状态（导通或截止），即可使本发明实施例提供的熔化极焊机具有直流、高频直流、直流脉冲、高频直流脉冲、交流、交流高频、交流脉冲、交流高频脉冲等多种焊接模式。

当MOS管Q1、Q4导通，Q2、Q3截止时，则所述交直流变换控制模块两输出端的电压UAB恒为正（直流）；而当MOS管Q2、Q3导通，Q1、Q4截止时，则所述交直流变换控制模块两输出端的电压UAB恒为负（直流）；当以上两种状态轮流切换时，所述交直流变换控制模块两输出端的电压UAB也进行着正负电压极性的变换，从而使得本发明实施例提供的熔化极焊机具有上述多种焊接模式。

另外，通过控制各MOS管的导通或截止的时间，即可实现控制所述熔化极焊机的两输出端的正极接通时间与负极接通时间的时间比，进而可根据具体的焊接材料的需求，控制工件与焊丝的热量需求，以达到最佳的焊接效果，有效提高焊接质量和焊接速度。

上述实施例中提到的内容为本发明较佳的实施方式，并非是对本发明的限定，在不脱离本发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种熔化极焊机，所述熔化极焊机包括具有同步通信接口的控制系统模块，电流取样模块，电压取样模块，依次连接的电源输入模块、直流恒压模块、斩波控制模块、恒流反馈模块以及焊枪，焊枪上连接有用于推送焊丝的送丝装置，所述电流取样模块的输入端与所述直流恒压模块的输出端以及焊枪的输入端均连接，所述电压取样模块的输入端与所述直流恒压模块的输出端以及焊枪的输入端均连接，所述电流取样模块的输出端以及电压取样模块的输出端均与所述控制系统模块连接，其特征在于：

所述熔化极焊机还包括有高频高压起弧模块，电弧长度反馈模块以及送丝控制模块，所述高频高压起弧模块的输入端与焊枪的输入端连接，高频高压起弧模块的输出端与控制系统模块连接；所述电弧长度反馈模块串联连接于所述控制系统模块的同步通信接口与所述焊枪之间，用于焊接时的电弧长度信息反馈至控制系统模块；所述送丝控制模块串联连接于所述控制系统模块的同步通信接口与所述送丝装置之间，用于接收控制系统模块发出所需的送丝控制信号，并将其转化成相应的控制信息，以控制所述送丝装置的送丝速度和/或送丝量。

2.根据权利要求1所述的熔化极焊机，其特征在于：所述电弧长度反馈模块包括依次连接的电压获取模块、抗干扰模块以及电弧长度计算模块；所述电压获取模块与所述焊枪连接，以获取焊枪工作时的电压信号；所述抗干扰模块用于将所述电压信号中的干扰信号消除，以获得熔化极焊机焊接时的电弧电压信息；所述电弧长度计算模块用于根据获得的所述电弧电压信息计算出电弧长度信息，并将其反馈至所述控制系统模块。

3.根据权利要求2所述的熔化极焊机，其特征在于：所述熔化极焊焊机还包括与控制系统模块连接的人机界面操作及显示模块。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的熔化极焊机，其特征在于：所述熔化极焊机还包括交直流变换控制模块，该交直流变换控制模块串联连接于所述恒流反馈模块的输出端与所述焊枪的输入端之间。

5.根据权利要求4所述的熔化极焊机，其特征在于：所述交直流变换控制模块具有输入正端、输入负端、第一输出端以及第二输出端，所述交直流变换控制模块包括第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及第四开关模块；所述输入正端、第一开关模块的输入端、第一开关模块的输出端、第二开关模块的输入端、第二开关模块的输出端以及所述输入负端依次连接，所述输入正端、第三开关模块的输入端、第三开关模块的输出端、第四开关模块的输入端、第四开关模块的输出端以及所述输入负端依次连接；所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端作为所述第一输出端，所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端作为所述第二输出端。

6.根据权利要求5所述的熔化极焊机，其特征在于：所述第二输出端与所述第三开关模块与第四开关模块的相互连接的一端之间串联连接有LC串联电路。

7.根据权利要求5所述的熔化极焊机，其特征在于：所述第一开关模块、第二开关模块、第三开关模块以及第四开关模块为相同的开关电路，所述开关电路包括一开关功率器件，一电容以及一二极管，所述电容并联连接于所述开关功率器件的漏极与源极之间，或者所述电容并联连接于所述开关功率器件的集电极与发射极之间；所述二极管的正极与所述开关功率器件的漏极或集电极连接，所述二极管的负极与所述开关功率器件的源极或发射极连接；所述开关功率器件的漏极或集电极作为各开关模块的输入端，所述开关功率器件的源极或发射极作为各开关模块的输出端，所述开关功率器件的栅极或基极连接有一用于控制开关功率器件导通或截止的开关信号源。

8.一种应用于权利要求1～7中任一项所述熔化极焊机的焊接方法，其特征在于，所述焊接方法包括：

所述熔化极焊机利用所述高频高压起弧模块，采用高频高压起弧方式进行起弧；

所述电弧长度反馈模块根据从焊枪中获取的信号计算出焊接时的电弧长度信息，并将该电弧长度信息反馈至所述控制系统模块；

所述控制系统模块计算出所述熔化极焊机所需的送丝速度，并根据所需的送丝速度发出相应的控制信息至所述送丝控制模块；

所述送丝控制模块根据接收到的控制信息，控制所述送丝装置的送丝速度，以使所述熔化极焊机在一个焊接周期内的电弧长度相同或基本相同。

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于：所述电弧长度反馈模块在计算电弧长度信息时，通过获取焊枪工作时的电压信号，然后消除电压信号中的干扰信号获得电弧电压信号，最后通过电弧长度与电弧电压的正相关关系，计算出电弧长度信息。

10.根据权利要求9所述的焊接方法，其特征在于：所述电弧长度反馈模块在将所述电弧长度信息进行比例、积分或微分的调节处理后再将其反馈至所述控制系统模块。