CN108213651A - 一种脉冲电弧焊起始阶段熔透控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种脉冲电弧焊起始阶段熔透控制方法，由于基值电流主要起维弧作用，焊接熔透主要由峰值期间的热输入和电弧力的作用决定，而熔池的振荡可用电流电压信号的波动来间接反映，因此峰值期间的电流电压信号的波动情况可表征熔透状态。这大大提高了脉冲电弧焊接过程的可控性，有利于焊缝质量的提高；另外，提出了一种较熔池振荡法、超声波传感法以及视觉图像法更接近实际应用、处理简单且实时性强的熔透传感方法，对于压力容器、锅炉和管道实现单面焊双面成形以及打底焊的控制提供了新思路。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，更加具体地说，涉及电弧焊质量控制技术领域。
背景技术
电弧焊，现代工业生产中应用最广泛的一种焊接方法，利用气体介质中放电过程所产生的热能作为焊接热源，包括等离子弧焊、埋弧焊以及惰性气体保护焊等。脉冲电弧焊，即焊接电流、电压周期性在基值和峰值之间变化，基值电流主要作用是维持电弧稳定燃烧并预热工件，峰值电流主要作用是加热熔化工件形成熔池，并保证一定的熔深或熔透。脉冲电弧焊兼具较高的焊接效率与有效地热输入控制、较宽的参数调节范围，即可焊接薄板，又能焊接厚板，能得到综合性能良好的焊缝。弧压传感熔透法，是一种利用焊接过程中的电压信号反映熔透状态的传感方法。相比较熔池振荡法、超声波传感法、红外传感法以及视觉传感法的设备复杂以及实时性较差的劣势而言，弧压传感法具有处理简单、实时性强、易于检测和实际应用的优点。如今，伴随着焊接自动化和智能化研究的深入，学者越来越注重对焊接过程中质量控制的研究，对于压力容器、锅炉以及管道而言，由于焊接位置受限，往往不能使用引弧板进行引弧，但起始阶段的焊缝性能与后续焊缝的熔透情况同等重要，因此，焊接起始阶段稳定状态研究以及熔透控制是焊接质量控制中的重要问题。目前，对熔透控制问题的研究多集中于焊接稳定阶段的熔透控制，而对于焊接起始阶段过程状态未做描述。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种脉冲电弧焊熔透控制方法，用来表征焊接起始阶段是否达到稳定，能反映稳定阶段熔透状态，且易于检测与处理的特征信号。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种脉冲电弧焊起始阶段熔透控制方法，按照下述步骤进行：
计算每个脉冲峰值期间最大的电压变化差值detUp，峰值电流期间内电压最大值与电压最小值的差，将得到的数值detU对时间t做出趋势图，利用最小二乘法进行分段线性拟合，在detU-t图中出现拐点对应时间t*，此时间即为焊起始阶段焊接过程达到稳定状态所需的时间；在拐点左侧，detU是针对时间t的线性减函数；在拐点右侧，detU随着时间t的延长而基本保持不变，表现为水平段，根据在水平段的取值计算多个取值的平均数，作为达到稳定状态后detU的平均值detU’，与此同时对焊缝剖面进行形貌表征，以判断哪组焊接参数达到临界熔透的最佳焊接状态；
将达到最佳焊接状态的一组焊接参数对应的detU’作为临界值detU*，将不同焊接参数得到的detU’值与临界值detU*进行比较，若大于临界值，则为未熔透，此时需加大电流，使其接近临界熔透；若等于临界值，则试样为临界熔透；若小于临界值，则试样为全熔透，控制电流大小，使其接近临界熔透。
在上述技术方案中，计算每个脉冲峰值期间最大的电压变化差值detUp，每十组取一个平均值，记为detU。
本发明专利利用定点焊接的方法模拟实际焊接过程的起始阶段过程，如附图1。焊接开始后，在力和热的双重作用下，工件产生一定的熔深。当熔深小于工件厚度时，为未熔透状态，当熔深等于工件厚度时，为临界熔透状态，当熔深大于工件厚度时，为全熔透状态，如附图2。从附图2中可以看出，不同熔透状态的熔池体积不同，全熔透到未熔透的熔池体积逐渐减小。熔池的自然振荡频率与熔池体积密切相关，熔池体积越大，其自然振荡频率越小。由于基值电流主要起维弧作用，焊接熔透主要由峰值期间的热输入和电弧力的作用决定，而熔池的振荡可用电流电压信号的波动来间接反映，因此峰值期间的电流电压信号的波动情况可表征熔透状态。与现有技术相比，首先，本发明专利提出了一种基于脉冲电弧焊条件下判断焊接起始阶段是否达到稳定的方法，这大大提高了脉冲电弧焊接过程的可控性，有利于焊缝质量的提高；另外，提出了一种较熔池振荡法、超声波传感法以及视觉图像法更接近实际应用、处理简单且实时性强的熔透传感方法，对于压力容器、锅炉和管道实现单面焊双面成形以及打底焊的控制提供了新思路。
附图说明
图1是本发明中采用定点焊接的方法模拟实际焊接过程的起始阶段过程示意图。
图2是本发明中指出的三种熔深状态示意图。
图3是本发明实施例中使用的脉冲熔化极纯氩气体保护焊的装置示意图。
图4是本发明实施例中不同送丝速度对应的detU值曲线图。
图5是本发明实施例中送丝速度8m/min时detU-t曲线和焊缝剖面的示意图。
图6是本发明实施例中送丝速度9m/min时detU-t曲线和焊缝剖面的示意图。
图7是本发明实施例中送丝速度9.5m/min时detU-t曲线和焊缝剖面的示意图。
图8是本发明实施例中送丝速度10m/min时detU-t曲线和焊缝剖面的示意图。
图9是本发明实施例中送丝速度10.5m/min时detU-t曲线和焊缝剖面的示意图。
图10是本发明实施例中送丝速度10.8m/min时detU-t曲线和焊缝剖面的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
试验装置如附图3所示，焊机为奥地利福尼斯TPS-4000，高速摄像系统和电信号系统同步采集，采用定点焊接的方式，焊接时间为2s，试件为Q235B，尺寸为250*85*3.8mm，不开坡口，纯氩气体保护，气流量20L/min，对接，间隙为1mm。试验工艺参数为：基值电流50A，峰值电流300A，熔滴过渡电流60A，峰值时间5.6ms，熔滴过渡时间0.75ms，脉冲频率125Hz，电压25.6V，送丝速度分别为8、9、9.5、10、10.5、10.8m/min；分别针对不同送丝速度进行电压信号的检测和判断，并观察焊缝剖面，结果如附图和下表所示(图中左侧为detU-t曲线图，下降段即为detU随着时间t的延长而下降，水平段即为detU随着时间t的延长而基本保持不变；右侧为焊缝剖面形貌图，判断是否焊透)。
计算每个脉冲峰值期间最大的电压变化差值detUp，峰值电流期间内电压最大值与电压最小值的差，每十组取一个平均值，记为detU；将得到的数值detU对时间t做出趋势图，利用最小二乘法进行分段线性拟合，在detU-t图中出现拐点对应时间t*，此时间即为GMAW焊起始阶段焊接过程达到稳定状态所需的时间，在拐点左侧，detU是针对时间t的线性减函数(即下降段)，在拐点右侧，detU随着时间t的延长而基本保持不变，表现为水平段，可根据在水平段的取值计算多个取值的平均数，作为达到稳定状态后detU的平均值(detU’)；与此同时对焊缝剖面进行形貌表征，以判断哪组参数确定达到最佳焊接状态(即临界熔透)。
从上表中可以看出，detU-t图均是先下降再保持水平的趋势，转折点即为焊接过程达到稳定的时刻，具体最小二乘法拟合和剖面形貌，如附图5—10所示。各送丝速度下水平段detU-t图如附图4，结合表1可知，送丝速度10m/min对应的熔透为临界熔透状态，因此detU＝4.10V为对应临界值，小于此临界值为全熔透，大于此临界值为未熔透，作为焊接起始阶段焊接质量的判断依据。以上试验的结果虽然是限于本实验条件下，但是判断焊接过程达到稳定的时刻以及熔透状态的表征的方法是适用于所有脉冲电弧焊接过程的熔透实时控制。
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 (3)
1.一种脉冲电弧焊起始阶段熔透控制方法，其特征在于，按照下述步骤进行：计算每个脉冲峰值期间最大的电压变化差值detUp，峰值电流期间内电压最大值与电压最小值的差，将得到的数值detU对时间t做出趋势图，利用最小二乘法进行分段线性拟合，在detU-t图中出现拐点对应时间t*，此时间即为焊起始阶段焊接过程达到稳定状态所需的时间；在拐点左侧，detU是针对时间t的线性减函数；在拐点右侧，detU随着时间t的延长而基本保持不变，表现为水平段，根据在水平段的取值计算多个取值的平均数，作为达到稳定状态后detU的平均值detU’，与此同时对焊缝剖面进行形貌表征，以判断哪组焊接参数达到临界熔透的最佳焊接状态；将达到最佳焊接状态的一组焊接参数对应的detU’作为临界值detU*，将不同焊接参数得到的detU’值与临界值detU*进行比较，若大于临界值，则为未熔透；若等于临界值，则试样为临界熔透；若小于临界值，则试样为全熔透。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲电弧焊起始阶段熔透控制方法，其特征在于，计算每个脉冲峰值期间最大的电压变化差值detUp，每十组取一个平均值，记为detU。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲电弧焊起始阶段熔透控制方法，其特征在于，将不同焊接参数得到的detU’值与临界值detU*进行比较，若大于临界值，则为未熔透，此时需加大电流，使其接近临界熔透；若小于临界值，则试样为全熔透，控制电流大小，使其接近临界熔透。
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