CN106513963B - 一种闪光焊的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闪光焊的方法和系统，所述方法主要包括步骤：通过闪光焊设备中的电流传感器、电压传感器和位移传感器分别采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据；根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗；根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗，当所述实际能耗达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备，本发明考虑到加热过程中的损失能耗，保证在加热步骤中焊接材料能充分并均匀加热，保存足够多热量并形成温度梯度较平缓的温度场后，开始下一阶段顶锻，使焊接质量更加稳定。

Description

一种闪光焊的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种焊接方法和系统，特别涉及一种闪光焊的方法和系统。
背景技术
闪光焊也称接触焊，是两个金属工件端面接触，通过端面的接触点导电，接触电阻产生的电阻热加热工件端部，当温度达到一定程度时，工件接触面的金属熔化形成液态金属层，通过外加纵向力挤出液态金属，并使高温金属产生塑性变形，在结合面产生共同晶粒，获得致密的热锻组织形成对接接头。
在闪光焊接过程中，特别是焊接钢轨等大横断面材料时，保证焊接过程中的质量稳定性是焊接过程中最为重要的技术问题。其中闪光焊接质量稳定性主要依赖于焊接加热步骤中充分且均匀的加热，所以合适的加热能耗变得十分关键，然而现有技术仅仅根据测量总能耗是否达到预定值来确定下一步顶锻阶段的开始时间，这仅仅限于理想的加热状态，所述理想状态是指全部焊接过程维持在标准参数下，并且没有断电或者短路等突发状态。但是在实际操作中，由于焊接过程中电压振幅的变化，不同焊接材料表面状态不同，焊接元件回路的通电状态以及金属粉尘污染对焊机导电性的影响等因素都会造成能耗的损失，从而影响焊接时实际用于焊接材料上的能耗小于总能耗。
总能耗主要通过加热步骤中的焊接电流，焊接电压，焊接时间来计算，通过热输入方式和能量可任意调节转换到下一个焊接周期的开始时间。在现有技术中，由于焊接过程中损失能耗难以计算，所以现有技术仅仅根据焊接电流，焊接电压和焊接时间计算输出的总能耗来判断下一个焊接周期的开始时间，一方面没有考虑到电压振幅，焊接材料表面状态，焊接元件回路的通电状态等实际因素，另一方面没有考虑在金属过冷过热和爆破破坏的损失能耗。因此，不能准确评估焊接材料时的实际能耗是否达到预设值，导致在加热步骤中焊接材料不能充分加热或者加热不均匀情况下，不能形成可产生温度梯度较平缓的温度场后开始下一阶段，从而不能扩大焊接材料上的顶锻温度区，导致焊接质量的不稳定的现象。例如，增加焊接电压，能增加瞬间功率，导致总能耗达到预定值，但是实际能耗并没有达到，使实际加热过程中并没有保持足够多的热量在焊接材料中，没有产生平稳的温度场，导致焊接质量不稳定。
因而现有技术还有待改进和提高。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种闪光焊的方法和系统。旨在解决现有技术中仅通过加热阶段的总能耗判断下一个焊接周期的开始时间，所造成加热不充分和加热不均匀，从而导致焊接质量的不稳定的技术问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种闪光焊的方法，其中包括步骤：
步骤S100、通过闪光焊设备中的电流传感器、电压传感器和位移传感器分别采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据；
步骤S200、根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗；
步骤S300、根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗，当所述实际能耗达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备。
所述的闪光焊的方法，其中，所述总能耗的计算公式如下所示：；
其中，H是总能耗；I是焊接电流；U是焊接电压；T是闪光时间。
所述的闪光焊的方法，其中，所述损失能耗的计算公式如下所示：；
其中，S是每克焊接材料的损失能耗率；F是焊接部位的横断面积；W是焊接材料的密度；D为给进位移。
所述的闪光焊的方法，其中，在采集到焊接电流、焊接电压和给进位移的数据后，对数据进行滤波和整定。
所述的闪光焊的方法，其中，所述焊接材料为钢轨、钢管或方坯。
一种闪光焊的系统，其中，所述系统包括：闪光焊设备和控制设备；
所述闪光焊设备包括分别用于采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据的电流传感器、电压传感器和位移传感器；
所述控制设备包括：
计算模块，用于根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗，根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗；
控制模块，用于当所述实际能耗达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备。
所述的闪光焊的系统，其中，所述总能耗的计算公式如下所示：；
其中，H是总能耗；I是焊接电流；U是焊接电压；T是闪光时间。
所述的闪光焊的系统，其中，所述损失能耗的计算公式如下所示：；
其中，S是每克焊接材料的损失能耗率；F是焊接部位的横断面积；W是焊接材料的密度；D为给进位移。
所述的闪光焊的系统，其中，所述计算模块对采集到的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据进行滤波和整定。
所述的闪光焊的系统，其中，所述焊接材料为钢轨、钢管或方坯。
相较于现有技术，本发明提供一种闪光焊的方法和系统，不同于现有技术仅仅按照理想加热状态，根据焊接电流，焊接电压和焊接时间计算输出的总能耗来判断下一个焊接周期的开始时间，没有考虑到损失能耗，导致加热不充分或者不均匀，严重影响焊接质量的稳定性。本发明一方面考虑到电压振幅，焊接材料表面状态，焊接元件回路的通电状态以及金属粉尘污染对焊机导电性的影响等实际因素造成的损失能耗，另一方面考虑到在金属过冷过热和爆破破坏的损失能耗。通过总能耗与损失能耗差值，计算出实际能耗，能够准确评估焊接材料时的实际情况，通过实际能耗是否达到预设值，决定下一阶段顶锻开始时间，这样保证在加热步骤中焊接材料能充分并均匀加热，保存足够多热量并形成温度梯度较平缓的温度场后，在准确时间开始下一阶段顶锻，从而能扩大焊接材料上的顶锻温度区，使焊接质量更加稳定。
附图说明
图1为本发明的闪光焊系统的原理框图。
图2为本发明的闪光焊方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供一种闪光焊的方法和系统。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照附图1，图1是本发明的闪光焊系统的原理框图。如图1所示，一种闪光焊的系统包括：
闪光焊设备100和控制设备300；其中，所述闪光焊设备100包括分别用于采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据的电流传感器101、电压传感器102和位移传感器103，以及输入/输出端口（I/O）104。
所述的闪光焊的系统，进一步包括可编程逻辑控制器（PLC）200，其中，PLC200对采集到的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据进行滤波和整定，所述闪光焊设备100与可编程逻辑控制器（PLC）200通过输入/输出端口（I/O）104连接。
所述控制设备300包括：计算模块301和控制模块302，所述控制设备是指具有一定运算能力的任何合适的控制设备，如个人电脑，便携式计算设备（平板电脑）等。
所述计算模块301，用于根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗；根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗；
所述的闪光焊的系统，其中，所述总能耗的计算公式如下所示：；
其中，H是总能耗；I是焊接电流；U是焊接电压；T是闪光时间。
所述的闪光焊的系统，其中，所述损失能耗的计算公式如下所示：；
其中，S是每克焊接材料的损失能耗率；F是焊接部位的横断面积；W是焊接材料的密度；D为给进位移。
所述控制模块302，用于当所述实际能耗达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备。
所述的闪光焊的系统，其中，所述焊接材料为钢轨、钢管或方坯。
本发明一方面考虑到电压振幅，焊接材料表面状态，焊接元件回路的通电状态以及金属粉尘污染对焊机导电性的影响等实际因素造成的损失能耗，另一方面考虑到在金属过冷过热和爆破破坏的损失能耗。通过总能耗与损失能耗差值，计算出实际能耗，能够准确评估焊接材料时的实际情况，通过实际能耗是否达到预设值，决定下一阶段顶锻开始时间，这样保证在加热步骤中焊接材料能充分并均匀加热，保存足够多热量并形成温度梯度较平缓的温度场后，开始下一阶段顶锻，从而能扩大焊接材料上的顶锻温度区，使焊接质量稳定。克服了现有技术仅仅限于理想加热转态，仅根据焊接电流，焊接电压和焊接时间计算输出的总能耗来判断下一个焊接周期的开始时间，没有考虑到损失能耗，导致加热不充分或者不均匀，严重影响焊接质量的稳定性的问题。本发明能更加准确的控制闪光焊过程，能够通过计算，明确加热阶段结束时间，而不是按照经验确定下一个焊接周期的开始时间，由于能有准确的计算，能使控制闪光焊过程更合理，实现全面数字化管理。
本发明还提供了一种闪光焊方法，如图2所示，其中，方法包括步骤：
步骤S100、通过闪光焊设备100中的电流传感器101、电压传感器102和位移传感器103分别采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据；
将采集到的数据通过输入/输出端口（I/O）104传输到可编程逻辑控制器（PLC）200， PLC将数据进行滤波和整定处理；
步骤S200、根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗。
其中，所述总能耗的计算公式如下所示：，其中，H是总能耗；I是焊接电流；U是焊接电压；T是闪光时间。
其中，根据焊接材料的特性和所述PLC200处理后的给进位移的数据计算出损失能耗。
所述损失能耗的计算公式如下所示：；其中，S是每克焊接材料的损失能耗率；F是焊接部位的横断面积；W是焊接材料的密度；D为给进位移。
步骤S300、根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗，即，H实际=H-L；当所述实际能耗H实际达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备。
以下以60 kg/m等级的钢轨焊接为实施例进行进一步说明：
第一步在所述控制设备300中预设能耗预定值，所述能耗预定值是根据预期达到预期效果的最优参数，例如60 kg/m等级的钢轨能耗预定值为4.9 kWh。
第二步，将所述能耗固定参数，包括每克焊接材料的损失能耗率S，焊接部位的横断面积F；焊接材料的密度W输入控制设备300中，例如，密度为7.8 g/mm3的碳钢，其每克的损失能耗率500 cal/g，横断面积为7725 mm2。
第三步，控制设备300收集通过PLC200处理后的焊接电流、焊接电压、给进位移的数据，例如给进位移为10mm。
第四步，通过所述损失能耗的计算公式：，总能耗的计算公式如下所示：，控制设备自动计算得出其总能耗H和损失能耗L。
第五步，总能耗与损失能耗的差值计算出实际热输入，即，H实际=H-L，当H实际达到预定值，即H实际=4.9 kWh时, 发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备。
其中，所述控制设备是指具有一定运算能力的任何合适的控制设备，如个人电脑，便携式计算设备（平板电脑）等。
优选的，所述实例中所述闪光焊设备100为能够处理60 kg/m等级钢轨的闪光焊设备，所述可编程逻辑控制器（PLC）200为罗克韦尔PLC。
本发明通过计算总能耗与损失能耗差值，得到实际能耗，通过实际能耗能够准确评估焊接材料时的实际情况，当实际能耗达到预设值时，开始下一阶段顶锻，由于一方面考虑到电压振幅，焊接材料表面状态，焊接元件回路的通电状态以及金属粉尘污染对焊机导电性的影响等实际因素造成的损失能耗，另一方面考虑到在金属过冷过热和爆破破坏的损失能耗，这样保证在加热步骤中焊接材料能充分并均匀加热，保存足够多热量并在形成温度梯度较平缓的温度场后，开始下一阶段顶锻，从而能扩大焊接材料上的顶锻温度区，使焊接质量更加稳定。不同于现有技术仅仅根据焊接电流，焊接电压和焊接时间计算输出的总能耗来判断下一个焊接周期的开始时间，现有技术由于是假设在没有考虑到损失能耗的理想加热状态，所以导致加热不充分或者不均匀，严重影响焊接质量的稳定性的问题。本发明能更加准确的控制闪光焊过程，能够通过计算，明确加热阶段结束时间，而不是按照经验确定下一个焊接周期的开始时间，使闪光焊过程通过量化形式变为更合理控制，通过准确的计算实现全面数字化管理。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种闪光焊的方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S100、通过闪光焊设备中的电流传感器、电压传感器和位移传感器分别采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据；
步骤S200、根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗；
步骤S300、根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗，当所述实际能耗达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备；
所述总能耗的计算公式如下所示：，
其中，H是总能耗，I是焊接电流，U是焊接电压，T是闪光时间；
所述损失能耗的计算公式如下所示：，
其中，S是每克焊接材料的损失能耗率，F是焊接部位的横断面积，W是焊接材料的密度,D为给进位移；
自动计算得出其总能耗H和损失能耗L, 即，H实际=H-L, 通过实际能耗能够准确评估焊接材料时的实际情况，当实际能耗达到预设值时，开始下一阶段顶锻。
2.根据权利要求1所述的闪光焊的方法，其特征在于，在采集到焊接电流、焊接电压和给进位移的数据后，对数据进行滤波和整定。
3.根据权利要求1所述的闪光焊的方法，其特征在于，所述焊接材料为钢轨、钢管或方坯。
4.一种闪光焊的系统，其特征在于，所述系统包括：闪光焊设备和控制设备；
所述闪光焊设备包括分别用于采集焊接过程的焊接电流、焊接电压和给进位移的数据的电流传感器、电压传感器和位移传感器；
所述控制设备包括：
计算模块，用于根据焊接电流、焊接电压和闪光时间计算出总能耗，以及根据焊接材料的特性和给进位移的数据计算出损失能耗，根据总能耗与损失能耗的差值计算出实际能耗；
控制模块，用于当所述实际能耗达到预设的能耗预定值时，发出结束闪光焊加热阶段并进入闪光焊顶锻阶段的指令至闪光焊设备；
所述总能耗的计算公式如下所示：，
其中，H是总能耗，I是焊接电流，U是焊接电压，T是闪光时间；
所述损失能耗的计算公式如下所示：，
其中，S是每克焊接材料的损失能耗率，F是焊接部位的横断面积，W是焊接材料的密度，D为给进位移；
自动计算得出其总能耗H和损失能耗L, 即，H实际=H-L, 通过实际能耗能够准确评估焊接材料时的实际情况，当实际能耗达到预设值时，开始下一阶段顶锻。
5.根据权利要求4所述的闪光焊的系统，其特征在于，在采集到焊接电流、焊接电压和给进位移的数据后，对数据进行滤波和整定。
6.根据权利要求4所述的闪光焊的系统，其特征在于，所述焊接材料为钢轨、钢管或方坯。
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