CN109641298B - 短路焊接方法和执行这种短路焊接方法的装置 - Google Patents

短路焊接方法和执行这种短路焊接方法的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有连续焊接循环(SZ)的短路焊接方法，该连续焊接循环具有相应的电弧阶段(LB)和相应的短路阶段(KS)。至少调节焊接参数(P)即焊接电流(I)和熔融电极(9)的供送速度(v)，并且至少在所述电弧阶段(LB)的一部分期间以指定向前最终速度(vVe)向工件(14)的方向供送所述电极(9)，并且至少在所述短路阶段(KS)的一部分期间以指定向后最终速度(vRe)远离所述工件(14)供送所述电极(9)。本发明还涉及一种用于执行这种短路焊接方法的装置(1)。根据本发明，指定供送速度的变化(dv/dt)和向后最终速度(vRe)，并且调节焊接电流(I)，使得在达到所述向后最终速度(vRe)之后并且最晚在3ms之后完成所述短路阶段(KS)，并且最晚每8ms重复所述短路阶段(KS)。所述焊接参数(P)被调节成使得所述焊接循环(SZ)的持续时间≤8ms，从而得到≥125Hz的焊接频率(f)。

Description

短路焊接方法和执行这种短路焊接方法的装置
技术领域
本发明涉及一种具有连续焊接循环的短路焊接方法，该连续焊接循环具有相应的电弧阶段和相应的短路阶段，其中至少控制或设置所述短路焊接方法的焊接参数即焊接电流和熔融电极的供送速度，并且至少在所述电弧阶段的一部分期间以预定向前最终速度向待加工工件的方向供送所述电极，并且至少在所述短路阶段的一部分期间以预定向后最终速度远离所述工件供送所述电极。
此外，本发明涉及一种用于执行这种具有连续焊接循环的短路焊接方法的装置，该连续焊接循环具有相应的电弧阶段和相应的短路阶段，所述装置包括用于控制至少焊接参数即焊接电流和熔融电极的供送速度的装置，并且包括至少在所述电弧阶段的一部分期间向待加工工件的方向上将所述电极一直供送至预定向前最终速度以及至少在所述短路阶段的一部分期间远离所述工件将所述电极一直供送至预定向后最终速度的装置。
背景技术
题述类型的短路焊接方法通过熔融电极进行，该熔融电极通过用于电极和焊炬的对应装置和供送装置而既在向前方向上供送至工件，又在向后方向上远离工件供送。焊炬包括用于电极的供送装置，并且能够用于手动焊接和自动焊接。用于执行短路焊接方法的装置至少控制焊接参数即焊接电流和供送速度。特别地使用焊接电压来检测电极和工件之间的短路。此外还利用焊接电压来检测电弧的点燃，即短路结束。在短路焊接方法中，焊接循环一个接着一个，其中短路阶段和电弧阶段周期性地交替。在短路阶段中，电极向后供送并发生材料转换，由此在电弧阶段中向前供送电极，并且电弧将热引入工件或电极内。
例如，US 2006/138115A1、US2005/189335A1或WO2006/089322A1描述了这种短路焊接方法和用于执行短路焊接方法的装置。
对于已知的短路焊接方法来说，尤其是在更高焊接速度时会发生不稳定性，并且这种不稳定性会导致焊接质量下降。没有实现更高焊接频率的指示。
发明内容
本发明的目的是创造出一种上述的短路焊接方法，该短路焊接方法的特征在于最高可能稳定性和高速，并且给厚度高达3mm的工件提供足够的焊透深度以及对应的高焊接质量。
另一个目的是提供一种执行短路焊接方法的装置，通过该装置能够实现所引述的优点。
应该避免或至少减少已知焊接方法或装置的缺点。
所述目的通过一种短路焊接方法实现，其中预定供送速度的变化和向后最终速度，并且控制或设置焊接电流，使得在达到所述向后最终速度之后并且最晚在3ms之后完成所述短路阶段，并且最晚每8ms重复所述短路阶段，其中所述电极的向前最终速度在所述短路阶段开始之前就已经减小，并且所述焊接参数以如下方式进行控制，即：使得焊接循环的持续时间小于或等于8ms，从而得到大于或等于125Hz的焊接频率。供送速度的变化即加速度由用于短路阶段的期望持续时间产生。对于基本没有飞溅的短路焊接方法，使用具有向前和向后电极运动的方法。这种向前和向后运动导致焊接频率，该焊接频率指定由短路阶段和电弧阶段构成的焊接循环周期。所述焊接频率对所述短路焊接方法的稳定性和焊接速度具有影响。为了以最高可能的质量实现二者，大于125Hz的焊接频率是必须的，从而使得新的焊接循环或短路阶段最晚每8ms重复。为了确保向工件内输入足够的热，特别是对于厚度增加的工件，电弧阶段应该尽可能长，相应地短路阶段应该尽可能短。较短的短路阶段具有小于3ms的持续时间，优选在2ms和3ms之间。在短路阶段期间，电极的供送方向必须从电弧阶段期间的向前运动反向至短路阶段期间的向后运动。通过在短路阶段开始之前就已经减小电极的向前最终速度，能够实现短路阶段的期望较短持续时间或高焊接频率。用于向前运动和向后运动的速度都取决于焊接应用，尤其是取决于工件的材料。对于向前运动和向后运动的典型值高达60米/分钟。向后最终速度通常低于向前最终速度，从而在所述短路焊接方法中电极在向前方向上平均供送至工件。
优选地，在所述电弧阶段期间以向前最终速度供送所述电极，所述向前最终速度基本对应于所述短路阶段期间的向后最终速度。如果两个速度相同并且电弧阶段比所述短路阶段长，则在所述短路焊接方法期间在向前方向上也平均供送所述电极。这里，优点是平均来说电极仍然在工件的方向上供送，这是因为短路阶段显著短于电弧阶段。
有利地，在30米/分钟和60米/分钟之间的范围内，在所述电弧阶段期间以向前最终速度供送所述电极，而在所述短路阶段期间以向后最终速度供送所述电极。
优选控制所述焊接参数，使得焊接循环的持续时间小于或等于6.6ms，从而得到大于或等于150Hz的焊接频率。
优选控制所述焊接参数，使得所述电弧阶段的持续时间为所述短路阶段的持续时间的至少两倍长。
能够以电流脉冲的形式控制所述焊接电流，根据所述短路阶段的即将结束来在所述短路阶段中确定所述电流脉冲的持续时间。
关于焊接质量，如果首先使所述短路阶段期间的焊接电流在预定持续时间(优选至少1ms)上保持恒定在预定值，然后减小，则是有利的。
优选在30000米/分钟/秒和60000米/分钟/秒的范围内预定供送速度的变化，从而能够实现期望的时间和速度。
根据本发明的目的还通过一种上述的用于执行短路焊接方法的装置实现。所述控制装置被设计成在所述短路阶段开始之前就已经减小所述电极的供送速度的向前最终速度，并且将其一直反向至所述向后最终速度；所述控制装置被设计成以如下方式控制所述电极的供送速度，即：最晚在3ms之后完成所述短路阶段，并且最晚每8ms重复所述短路阶段，从而得到大于或等于125Hz的焊接频率。关于能够由此获得的优点，参考上述对短路焊接方法的描述。
优选地，用于供送所述电极的装置由直接驱动器或线性驱动器形成。
附图说明
将在所附图中更详细地说明本发明，其中：
图1示出了焊接机器或焊接设备的示意性表示；以及
图2示出了在根据本发明的短路焊接方法期间的焊接电流I、焊接电压U和电极的供送速度v的时间过程。
具体实施方式
图1示出了用于执行焊接方法的装置1或用于各种焊接过程的焊接设备。装置1包括：电流源2，该电流源2包括布置在其中的功率单元3；用于控制参数P(诸如焊接电流I或熔融电极9或焊丝的供送速度v)的装置4。控制装置4例如连接至控制阀，该控制阀布置在位于气体贮存器6和焊炬7之间的用于保护气体5的供应线路中。另外，控制装置4可以用来驱动供送装置8以供送熔融电极9，由此将电极9从供应滚筒10经由供应线路供送至焊炬7的区域。供送装置8也可以集成在装置1中，特别是集成在功率源2的壳体11中，而不是如图1所示作为附加装置定位在托架12上。还可能的是，供送装置8将电极9供送至位于焊炬7外部的处理点。
用于在电极9和至少一个工件14之间建立电弧13的焊接电流I经由焊接线路(未示出)从电流源2的功率单元3供送至电极9，并且经由电弧13形成电气电路。工件14经由另一个焊接线路(未示出)连接至功率源2。
为了冷却焊炬7，焊炬7可以经由冷却装置15连接至具有液位指示器17的液体容器16，从而能够实现焊炬7的冷却。
另外，装置1特别是功率源2进一步包括输入/输出装置18，该输入/输出装置18可以用来设置或调用和显示各种焊接参数P、操作模式或焊接程序。经由输入/输出装置18设置的焊接参数P、操作模式或焊接程序被转送给控制装置4，该控制装置4然后控制装置1的各个组件或设置用于调节或控制的对应期望值。当使用对应的焊炬7时，还可以经由该焊炬7进行调节过程，由此焊炬7配备有焊炬输入/输出装置19。焊炬7优选经由数据总线连接至装置1特别是连接至功率源2或供送装置8。
为了开始焊接过程，焊炬7通常包括启动开关(未示出)，从而通过致动启动开关能够点燃电弧13。为了防止暴露于来自电弧13的炙热，可以给焊炬7配备热屏蔽件20。此外，在所示的示例性实施方式中，焊炬7经由软管包装21连接至装置1。在软管包装21中，诸如供应线路或用于电极9、用于保护气体5、用于冷却回路、用于数据传输等的线路之类的各个线路从装置1布置到焊炬7。
作为示例，图2示出了在短路焊接方法期间的焊接电流I、焊接电压U和电极9的供送速度v的时间过程。该短路焊接方法以如下参数或值来执行：
向前最终速度vVe：50米/分钟
向后最终速度vRe：40米/分钟
短路阶段KS中的焊接电流I：120A
短路阶段KS的持续时间：平均2.5ms
焊接频率f：150Hz
从该时间过程可以看出，在短路阶段KS中的电极的供送方向从以50米/分钟的向前最终速度vVe向工件方向的向前供送反向至以40米/分钟的向后最终速度vRe的远离工件的向后运动。供送速度v在短路KS之前已经减小，从而能够更快速地进行方向反转，并且电极更小深度地进入焊池中。例如，向前最终速度vVe在已经恒定一定时间段之后或者在电弧燃烧一定时间之后减小。不晚于在时间t1—即不晚于短路阶段KS开始时—将用于加速度即供送速度变化dv/dt的值给用于供送电极的装置或马达控制器，从而在时间t2达到期望向后最终速度vRe。
在图2给出的示例中，为此需要40000米/分钟/秒(667m/s2)的加速度，该加速度被给予与供送装置相关并相应地调节供送速度v的马达控制器。马达控制器因而确保在短路阶段KS中的时间t2达到向后最终速度vRe。一旦达到向后最终速度vRe，则将加速度设置为零，并且维持、减小或增加供送速度v，直到短路断开并且点燃电弧。
在焊接特征的定义期间确定在达到向后最终速度vRe之后供送速度v是否改变以及如何改变。焊接特征根据焊接应用的要求来创建，并且主要取决于材料(Al、CrNi、钢、…)、工件的厚度和焊接速度。
此外，像向后最终速度vRe，通过相应的焊接特征曲线预定电极的供送加速度。
在短路阶段KS中，熔融电极位于焊池中，并且液滴从电极的末端转移到焊池。为了确保液滴在短路阶段KS期间释放在焊池中，在短路阶段KS期间以电流脉冲的形式控制或调节焊接电流I。焊接电流I被控制或设置成使得在电流脉冲期间液滴不释放，从而不会发生飞溅。焊接电流I的幅值和过程适合于短路阶段KS的短路持续时间期间的所需能量，一方面，为了维持电极的温度，另一方面，为液滴释放座准备。基本根据工件材料来选择值。根据图2，120A的焊接电流I的幅值保持恒定，一直到短路阶段KS的直接迎来结束，例如持续1ms。为了防止在随后的液滴释放期间发生焊接飞溅，正好在短路阶段KS即将结束之前或者在焊接电流I的幅值减小至最大100A(例如50A)之前终止电流脉冲。相应地控制或设置电流脉冲的持续时间。液滴释放在该阶段之后发生，即在电流脉冲之后发生，并且基本上是没有飞溅的。是否控制或设置电流脉冲主要通过焊接特征来限定或预定。或者根据至少一个事件来控制焊接电流I(幅值或持续时间)，或者针对焊接电流的幅值和持续时间预定一固定值。焊接电流I的幅值已经达到减小值的时间不必必然地取决于时间t2。根据图2，这些时间点基本上是相同的，但是彼此独立。当然，这还可以在焊接特征曲线中预定，从而使得它们依赖于彼此。
短路阶段KS的即将结束基本上根据焊接电压U的变化来确定，如能够在时间t3处看到的。然而，短路阶段KS的即将结束还可以这样确定，即在短路阶段KS开始时，从实际焊接电压U和实际焊接电流I计算并存储电阻。在短路阶段KS期间，可以连续地确定实际电阻。如果实际电阻高于所存储的电阻一限定因数，则电弧的点燃和电弧阶段LB的开始即将来临，并且焊接电流I减小。然而，还可以将实际电阻与之前确定的电阻连续地比较，并且对变化或梯度进行评估。如果变化基本上时突然的，则电弧点燃即将来临。
通过确定短路阶段KS即将结束，也可以使加速度适合于电极供送，以便在短路阶段KS期间实现向后最终速度vRe。由于远离工件向后供送电极，一旦电极从焊池出现则就在时间t3点燃电弧。由于液滴已经释放并且焊接电流I已经减小，这没有任何焊接飞溅地发生。电弧点燃的时间t3由于焊池的变化而略微改变。在向工件方向进行向前供送期间电极在焊池中的侵入深度以及电极温度也具有影响。这对于焊接过程的稳定性基本没有任何影响，这是因为电流脉冲的幅值和持续时间根据短路阶段KS的即将结束来控制。这样，维持了焊池的温度。
随着电弧的点燃和电弧阶段LB的开始，电极的供送方向再次反向，或者开始反向，并且加速至向前最终速度vVe的值，如50米/分钟，其中加速度为40000米/分钟/秒，与向后最终速度vRe基本相同。同样，焊接电流I随着电弧点燃而增加，然后减小至预定至并且基本上保持恒定，然后在电极的向前最终速度vVe达到时减小至电弧阶段LB的结束。
由于在向前方向和向后方向上加速度都是预定的，电极的平均供送速度v(该平均供送速度总而言之代表电极在工件方向上的供送)可以保持基本恒定。因而可以增加该短路焊接方法的稳定性。
对于这种高加速度(至少高达60000米/分钟/秒)，需要具有低质量惯性的供送装置和最大直径为16.4mm的转子。另外，电极优选由供送装置直接驱动，即没有变速器或齿轮箱。
为了稳定的焊接过程，重要的是在每个焊接循环SZ中都具有相同条件。由于该原因，必须在短路阶段KS期间达到向后最终速度vRe，从而在电弧随后点燃时总是实现相同电弧长度，即距离工件的相同距离。为此，针对相应的焊接应用预定短路阶段KS期间的用于焊接电流I的对应幅值。如果焊接电流I的幅值选择得过高，则电极会在焊池的表面上方熔化，并且将点燃有害的电弧。在焊接电流I的幅值过低的情况下，电极会不充分预热并且导致不良点燃。
除了高加速度之外，对于短路阶段KS来说还重要的是，在向前方向上和向后方向上电极的供送速度v都相对较高，优选大于30米/分钟。当在向前方向上将电极供送至工件时，在更短时间内发生短路。供送方向的反转也应该快速地发生，从而使得短路阶段KS的持续时间不显著地延长。当在向后方向上远离工件供送电极时，重要的是电弧尽可能快地点燃，并且开始电弧阶段LB，从而不超过3ms的短路阶段KS的最大持续时间。
电弧阶段LB的持续时间限定了到工件内的期望热输入，该热输入可以通过缩短短路阶段KS来相应地增加。例如，电弧阶段LB为短路阶段KS的两倍长。
通过根据本发明的短路焊接方法实现的是，根据焊接特征曲线的相应值为短路阶段KS和电弧阶段LB获得了基本恒定的持续时间。另外，这通过加速度和焊接电流I的控制由供送速度v的精确控制来支撑。
另外，能够实现高达3米/分钟的更高焊接速度，同时短路焊接方法具有高稳定性。根据本发明的短路焊接方法还可以用来厚度高达3mm的工件，由此通过更长的电弧阶段LB确保所需焊透深度。根据焊接应用(例如，角焊接、对接焊接等)，可以以125Hz和170Hz之间的焊接频率f，以1米/分钟的焊接速度焊接2mm厚度的工件，或者以2米/分钟的焊接速度焊接0.8mm厚度的工件。

Claims (12)

1.一种具有连续焊接循环(SZ)的短路焊接方法，该连续焊接循环均具有电弧阶段(LB)和短路阶段(KS)，其中控制或设置所述短路焊接方法的至少焊接参数(P)即焊接电流(I)和熔融电极(9)的供送速度(v)，并且至少在所述电弧阶段(LB)的一部分期间以预定向前最终速度(vVe)向待加工工件(14)的方向供送所述电极(9)，并且至少在所述短路阶段(KS)的一部分期间以预定向后最终速度(vRe)远离所述工件(14)供送所述电极(9)，其特征在于，预定供送速度的变化(dv/dt)和向后最终速度(vRe)，并且控制或设置焊接电流(I)，在达到所述向后最终速度(vRe)之后并且最晚在3ms之后完成所述短路阶段(KS)，并且最晚每8ms重复所述短路阶段(KS)，其中所述电极(9)的向前最终速度(vVe)在所述短路阶段(KS)开始之前就已经减小，并且所述焊接参数(P)以如下方式进行控制，即：使得焊接循环(SZ)的持续时间小于或等于8ms，从而得到大于或等于125Hz的焊接频率(f)。
2.根据权利要求1所述的短路焊接方法，其特征在于，在所述电弧阶段(LB)期间以向前最终速度(vVe)供送所述电极(9)，所述向前最终速度(vVe)大于或等于所述短路阶段(KS)期间的向后最终速度(vRe)。
3.根据权利要求1或2所述的短路焊接方法，其特征在于，在30米/分钟和60米/分钟之间的范围内，在所述电弧阶段(LB)期间以向前最终速度(vVe)供送所述电极(9)，而在所述短路阶段(KS)期间以向后最终速度(vRe)供送所述电极(9)。
4.根据权利要求1或2所述的短路焊接方法，其特征在于，调节所述焊接参数(P)，使得焊接循环(SZ)的持续时间小于或等于6.6ms，从而得到150Hz或更大的焊接频率(f)。
5.根据权利要求1或2所述的短路焊接方法，其特征在于，控制所述焊接参数(P)，使得所述电弧阶段(LB)的持续时间为所述短路阶段(KS)的持续时间的至少两倍长。
6.根据权利要求1或2所述的短路焊接方法，其特征在于，以电流脉冲的形式控制所述焊接电流(I)，通过在所述短路阶段(KS)的即将结束之前终止电流脉冲来在所述短路阶段(KS)中确定所述电流脉冲的持续时间。
7.根据权利要求1或2所述的短路焊接方法，其特征在于，首先使所述短路阶段(KS)期间的焊接电流(I)在预定持续时间上保持恒定在预定值，然后减小。
8.根据权利要求7所述的短路焊接方法，其特征在于，在所述短路阶段(KS)期间的焊接电流(I)在至少1ms的持续时间上保持恒定在所述预定值。
9.根据权利要求1或2所述的短路焊接方法，其特征在于，预定在30000米/分钟/秒和60000米/分钟/秒的范围内的供送速度变化(dv/dt)。
10.一种用于执行短路焊接方法的装置(1)，该短路焊接方法包括连续焊接循环(SZ)，该连续焊接循环具有相应的电弧阶段(LB)和相应的短路阶段(KS)，所述装置(1)包括用于控制至少焊接参数(P)即焊接电流(I)和熔融电极(9)的供送速度(v)的装置(4)，并且包括用于至少在所述电弧阶段(LB)的一部分期间向待加工工件(14)的方向将所述电极(9)一直供送至预定向前最终速度(vVe)、并且至少在所述短路阶段(KS)的一部分期间远离所述工件(14)将所述电极(9)一直供送至预定向后最终速度(vRe)的装置(8)，其特征在于，所述控制装置(4)被设计成在所述短路阶段(KS)开始之前就已经减小所述电极(9)的供送速度(v)的向前最终速度(vVe)，并且将其一直反向至所述向后最终速度(vRe)；所述控制装置(4)被设计成以如下方式控制所述电极(9)的供送速度(v)，即：最晚在3ms之后完成所述短路阶段(KS)，并且最晚每8ms重复所述短路阶段(KS)，从而得到大于或等于125Hz的焊接频率(f)。
11.根据权利要求10所述的装置(1)，其特征在于，用于供送所述电极(9)的装置(8)由直接驱动器形成。
12.根据权利要求10所述的装置(1)，其特征在于，用于供送所述电极(9)的装置(8)由线性驱动器形成。
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