CN1063120C - 检测熔滴短路过渡过程中缩颈形成的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测熔化极气体保护焊短路过渡过程中液态金属缩颈形成的方法，它将熔滴短路后电压信号进行一阶微分、二阶微分运算，由两个比较器将其分别与判断阈值相比较，再将比较结果进行“与”运算，从而检测到液态金属缩颈形成的时刻。本发明的方法简便易于实现，可有效地对熔滴短路过渡状态进行稳定、可靠的检测，与控制系统配合工作，可达到低飞溅短路过渡焊接的良好效果。

Description

检测熔滴短路过渡过程中缩颈形成的方法

本发明是关于电弧焊的，更具体地说，是关于熔化极气体保护焊熔滴状态的检测方法。

目前CO₂气体保护焊在焊接生产中得到了广泛应用。其中短路过渡焊接是薄板及全位置焊接领域常使用的方法。目前，短路过渡焊接存在着一个突出的缺点，即飞溅量大，造成焊接质量差及劳动生产率低，并恶化了劳动条件。如何解决这一问题是焊接工程技术人员长期以来的重要研究课题。短路过渡形成飞溅的主要来源：一是初期短路，另一原因是液态金属小桥发生爆断。熔滴的初期短路行为是指熔滴与熔池相接触，迅速分离，在此过程中不发生液体金属的过渡，而在分离时形成飞溅。小桥爆断之前100～200微秒内积累了大量的过剩能量，使得小桥爆断时处于一个高能量的状态，形成飞溅。目前采用电流控制技术减少飞溅，在短路发生的时刻将电流切换到某一较低水平并保持一段时间，在低电流的条件下，熔滴与熔池金属分离的几率大大减小，从而减少初期短路；其后，取消降流措施，使焊接电流按一定规律增长，以产生缩颈过程所必需的电磁压缩效应；而当焊丝端部与熔池之间的液体金属形成缩颈之后，迅速将电流降低，减少所积累的过剩能量，使得小桥在低能量状态下，主要依靠表面张力将其拉断并平稳过渡至熔池，这样就达到了降低飞溅的目的。然而，随之而来的是，短路过渡焊接过程中熔滴状态的检测特别是缩颈形成的检测成为该项技术的关键。由于在CO₂短路过渡焊接中存在着固有的非规律性的过渡特征，过去所提出的多种检测方法，包括检测电弧电压信号或焊接电流信号的方法均存在检测不稳定、延时严重等等问题。例如：已有的电弧电压检测方法，若判断阈值过低，则出现检测失误多，错误信号频繁：而判断阈值过高则出现检测不及时，时间余量少，无法与现有的电流切换控制技术相适应。而采用焊接电流检测技术，则由于电流信号一般采于分流器，信号为毫伏级水平，抗干扰能力差。严重地影响短路过渡低飞溅技术的发展和应用。

中国发明专利，申请号87103550.2，《控制短路型焊接系统的方法和装置》存在着上述问题。

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提出一种利用电弧电压及其微分来检测短路发生和缩颈形成时间的方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

本发明的检测熔滴短路过渡过程中缩颈形成的方法包括下列步骤：

(1)将电弧的电压信号自焊接电源输出端引出；

(2)将电弧的电压信号进行分压滤波；

(3)将分压滤波后的电压信号分别输入至短路检测电路和缩颈检测电路。

(4)在短路检测电路中对电压幅值进行判断，检测短路的发生时间并区分引弧短路与熔滴短路的电压信号；

(5)将熔滴短路后电压信号进行一阶微分、二阶微分运算，由两个比较器将其分别与判断阈值相比较，再将比较结果进行“与”运算，从而检测到液态金属缩颈形成的时刻。

其缩颈检测部分的技术要点是：利用焊接回路电流的微分di/dt与电弧电压的微分du/dt的“或”关系来判断缩颈的形成。焊接电流的检测在我国一般采用分流器，分流器的输出一般是几十毫伏，直接使用时带来的问题是利用采样保持器采得的后一时刻电流值与前一时刻电流值相减，根据误差理论，两个很小的值相减时会显著增加误差，因此其可靠程度较差，如不直接使用，势必要加入放大电路，增加了设备的复杂性。

本发明只检测电弧电压值，利用采样保持器用后一时刻的电压与前一时刻的电压相减，求出电压的一阶微分，再用后一时刻的电压微分值与前一时刻的电压微分值相减求出电压的二阶微分，电压的一阶微分与二阶微分进行“与”逻辑运算，其结果指示缩颈的产生。

如果单独使用电弧电压的一阶微分来指示是否产生缩颈，为了使检测到缩颈后为电流的控制流出必要的时间，电弧电压一阶微分的阈值必须调得很低，这样容易产生误判现象。单独使用电弧电压二阶微分时也会出现类似情况。

如果使用电弧电压一阶微分与二阶微分的“与”逻辑运算输出作为缩颈检测信号，则可显著消除误判现象，而且还可以将上述阈值适当调低，为实施电流的迅速、精确控制流出足够的时间。具体可参照附图(a)，附图中的三条曲线分别是(上)短路过渡电弧焊的电弧电压波形，(中)是电压的一阶微分波形，(下)是电压的二阶微分波形。对应电弧电压由低到高的拐点(一般认为此拐点对应缩颈)，一阶微分和二阶微分都出现正脉冲峰值，在其左右两侧，虽然一阶微分和二阶微分的值都在零值附近，但毕竟有一定幅值，这些有一定大小的零值附近的波动是阈值不能调得太低的根本原因，因此也就影响了控制时间的裕度。

根据实验结果，电压一阶微分和二阶微分的噪音不会出现在同一时刻，这就为大幅度降低阈值创造了条件，同时为对电流实施控制奠定了很好的基础。

本发明与现有技术相比有如下的有益效果：

利用本发明可以有效地对熔滴短路过渡状态中的缩颈形成进行稳定、可靠的检测，从而为短路过渡的实时控制创造条件，与计数器相联接，可以获得短路过渡频率及其它信息。也就是说，采用本发明简便的方法可以满足现有的控制技术的需要，实现短路过渡过程中电流切换，达到低飞溅短路过渡焊接的目的。本方法与微机相联接，可检测短路频率及初期短路和正常短路各自所占的比例等以便利用这些信息确定合理的焊接工艺参数，以得到更为稳定的焊接过程。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图a是二氧化碳焊接短路过渡电压、一阶微分、二阶微分波形图；

图1是分压滤波电路图；

图2是短路检测电路图；

图3是缩颈检测电路图。

本发明的要点是，通过检测熔滴短路期间焊接电压的一阶微分、二阶微分，从而检测焊丝与熔池之间的液体金属缩颈形成的时刻。本发明的原理是：利用检测电弧电压的幅值来检测熔滴短路的发生，并区分引弧短路和熔滴短路；利用短路后电弧电压的一阶微分和二阶微分来检测缩颈的形成。当引弧时电压信号由焊机空载电压(＞40伏)迅速降到短路电压(＜10伏)，而熔滴短路时电压信号由燃弧电压(约20伏左右)迅速降至短路电压(＜10伏)，通过检测电压的迅速降低判断短路的发生，并通过检测电压由空载电压下降到短路电压，还是由燃弧电压下降到短路电压，以区分引弧短路和熔滴短路。焊丝端头与熔池之间的液体金属形成缩颈时，电压信号发生具有特征性的变化，通过检测电压一阶、二阶微分来判断这种变化的出现，达到检测缩颈形成的目的。

在缩颈检测电路中，输入信号为电弧电压，经过图1中分压滤波电路处理后进入图2中的短路检测电路，其中短路期间的电压信号进入图3中的缩颈检测电路，各自经过相应的处理，排除各种干扰因素的影响，最后输出所需的脉冲信号。

图1中的分压滤波电路主要是由电阻、电容、运算放大器共同构成一个二阶低通有源滤波电路，其作用是以合适的分压比将电弧电压信号滤波并消去干扰后传递给后继环节。

在图1中，输入信号为电弧电压信号，R₁，R₂阻值达数十千欧，R3，R4，C1，C2及LM324组成低通滤波器电路，L1输出为分压滤波后的电弧电压信号，分压比为1/10。经实测对于15V阶跃信号延时时

间仅15μs，并能有效地消除高频干扰。

图2中的短路检测电路的作用是及时地检测熔滴与熔池相接触，即检测短路的发生，并区分引弧短路和熔滴短路。此处根据电压信号是由空载电压下降到短路电压还是由燃弧电压下降到短路电压来区分这两种短路，判断阈值由调整电位器获得，对应于电弧电压分别为30V和10V。其中第一个阈值的设定与弧焊电源的外特性有关，对于抽头式弧焊电源可设低一些，对于其它类型的弧焊电源可设高一些。短路检测电路由比较器、逻辑门电路、数字滤波电路等电路组成，数字滤波电路的引入是为了消除门电路产生的干扰脉冲。该电路能在短路发生后数十微秒内发出一个宽度可调的正脉冲，并能有效地把短路引弧与熔滴短路可靠地区分开，从而有利于正常引弧的进行。

在图2中，L2为电压比较器LM319，5脚和10脚为分压滤波后的电弧电压信号，4脚和9脚为阈值电压，其中4脚为6伏，9脚为2伏。L3为异或门，L4为单稳态触发器4098，L4的5、3、12脚接地，13脚接VCC。L5为D型触发器4013，L6为非门，L4，L5，L6组成数字滤波电路，用于消除干扰信号。L5的6脚接地，5脚接L6的1脚，4脚接L6的2脚。1脚与L4的11脚相连，L4的10脚输出短路检测信号。

图3中的缩颈检测电路用以检测电弧电压信号的变化，与焊接电流信号无关，它由运算电路和相应的逻辑电路组成。该电路检测到缩颈形成时的电压变化后，发出正脉冲信号，其参数一经确定无需因焊接参数变化而更改。

在图3中，L7为电压比较器LM319，此处作为起频器，12脚输出频率为几十KHz的脉冲信号，O1为光耦，其作用是使仅有短路期间的电压信号才能进入缩颈检测电路，而燃弧阶段的电压信号由于光耦被关闭而不能进入缩颈检测电路，以此保证不会引起缩颈检测电路误判断。其中1脚接L2-12，4脚接L1-1。L9、L16为采样保持器LF398，其中L9-3接短路阶段的电压信号，8脚与L7-12相连，5脚为L9-3的采样保持信号。L16-3接L10-6，8脚与L7-12相连，5脚为L10-6的采样保持信号。L10，L11为运算放大器OP-07，其中L10的6脚输出为短路阶段电压的一阶微分信号，L11的6脚输出为短路阶段电压的二阶微分信号。L8为电压比较器LM319，其中5、10脚接阈值电压。所述阈值通过采集短路过渡过程中的电压信号，并对其进行一阶、二阶微分运算，将运算结果与熔滴及液体小桥的状态相对照，可得出，当液体小桥发生缩颈时电压一阶微分值为30～50伏/毫秒，二阶微分值为30000～50000伏/毫秒平方。L13为与门4081，L12为单稳触发器4098，4脚与L8-7相连，6脚输出为处理后的缩颈检测信号。

Claims (1)

1、一种检测熔滴短路过渡过程中缩颈形成的方法，其特征是，它包括下列步骤：

(1)将电弧的电压信号自焊接电源输出端引出；

(2)将电弧的电压信号进行分压滤波；

(3)将分压滤波后的电压信号分别输入至短路检测电路和缩颈检测电路；

(4)在短路检测电路中对电压幅值进行判断，检测短路的发生时间，并区分引弧短路与熔滴短路的电压信号；

(5)将熔滴短路后电压信号进行一阶微分、二阶微分运算，由两个比较器将其分别与判断阈值相比较，再将比较结果进行“与”运算，从而检测到液态金属缩颈形成的时刻。

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