CN110860766A - 铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法、系统及存储介质 - Google Patents

铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法、系统及存储介质 Download PDF

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朱强
吴立华
康国坡
李�权
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Abstract

本发明公开了铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法、系统及存储介质，方法包括以下步骤：基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；对焊接参数进行配置；根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。本发明这种采用抛物线函数波形去调制的阶梯单脉冲电流焊接方法，形成了强弱脉冲群搅拌熔池效果，有利于气泡逸出；另外，阶梯波形带有熔滴过渡控制阶段，焊接过程的熔滴过渡规律性强，焊缝成型较好，铝合金薄板焊接上有良好的焊缝成型效果，可广泛应用于金属焊接技术领域。

Description

铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法、系统及存储介质
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，尤其是铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法、系统及存储介质。
背景技术
铝合金材料和普通黑色金属材料相比，具有质量轻、强度高、比重小、抗腐蚀性好和回收再利用方便等特点，切合国家节能减排的长远规划，在工业领域中正获得越来越广泛的应用。但与常规黑色金属材料相比，铝合金材料的物理化学特性和焊接工艺性能有着显著自身特点，焊接困难问题一直是制约其广泛使用的最大障碍。铝合金自身特点导致在焊接时极易形成夹渣、未熔合、未焊透、缩孔、热裂纹和氢气孔等焊接缺陷。
脉冲电流焊接工艺有两种常用的方法，分别是单脉冲焊接和双脉冲焊接。
(1)单脉冲焊接铝合金时熔池里的气泡不容易逸出，焊缝成型后影响力学性能，单脉冲电流波形如图1所示，Ip为单脉冲峰值电流大小、Ib为单脉冲基值电流大小、tp为单脉冲峰值时间长度、tb为单脉冲基值时间长度。
(2)双脉冲焊接铝合金时，强弱脉冲群能起到搅拌熔池的效果，有利于熔池里的气泡逸出，但脉冲控制参数过多，参数优化困难，而且强弱脉冲群之间没有平滑过渡，电弧电压跳动大，飞溅较多，双脉冲电流波形如图2所示，图中TS为强脉冲群维持总时间、TW为弱脉冲群维持总时间、Isp为强脉冲群峰值电流大小、Isb为强脉冲群基值电流大小、tsp为强脉冲群峰值时间长度、tsb为强脉冲群基值时间长度、Iwp为弱脉冲群峰值电流大小、Iwb为弱脉冲群基值电流大小、twp为弱脉冲群峰值时间长度、twb为弱脉冲群基值时间长度。
(3)基于上述方法又有人提出了采用阶梯单脉冲焊接方法来改善焊缝的成型效果，阶梯单脉冲电流波形如图3所示，阶梯单脉冲源于图1的单脉冲电流波形，参数和图1的相同，只是增加了阶梯脉冲时间tm和阶梯脉冲电流大小Im两个参数，阶梯脉冲在理论上可以起着控制熔滴过渡的作用。
(4)脉冲焊接工艺参数较多，参数之间会互相影响，其中一个参数的变化会导致其他参数跟着改变才能保持良好的焊接效果，调节不便。为了寻找一种让焊接输入电流连续变化的方法，有人提出了采用高斯函数调制脉冲焊接电流波形的方法。根据工艺实验，通过把焊接输入电流分段记录最佳参数，达到只调整弱脉冲群基值电流大小就能满足工艺要求的一元化调节目标。但是这种调节方法应用于3mm以上的铝合金材料焊接时效果良好，当焊接母材厚度降低到2mm及其以下时，这种方法的应用效果不好，母材容易被焊穿，焊缝成型困难，说明这种方法不适用于铝合金薄板材料的焊接。
总的来说，现有技术对于厚度在2mm及以下的铝合金薄板焊接时，成型困难，薄板极易被焊穿。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种成型简单且薄板不易被焊穿的，铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法、系统及存储介质。
第一方面，本发明实施例提供了铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，包括以下步骤：
基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
对焊接参数进行配置，所述焊接参数包括焊接初始电流、阶梯脉冲电流、单脉冲基值电流、单脉冲峰值时间长度、阶梯脉冲时间长度、单脉冲基值时间长度、强弱阶梯脉冲群个数和低频调制频率；
根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。
进一步，所述基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流这一步骤，包括以下步骤：
对抛物线函数标准公式进行优化；
根据焊接初始电流和优化后的抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
其中，所述焊接峰值电流的计算公式为：
Ip＝Ip0-x2+50，Ip为单脉冲峰值电流；Ip0为焊接初始电流；x取值范围是(-7.07,7.07),该区间保证Ip的最大取值为Ip0+50，最小取值为Ip0。
进一步，所述焊接初始电流为280A；
所述阶梯脉冲电流为72A；
所述单脉冲基值电流为40A；
所述单脉冲峰值时间长度为1.5ms；
所述阶梯脉冲时间长度为5ms；
所述单脉冲基值时间长度为20ms；
所述强弱阶梯脉冲群个数为16个；
所述低频调制频率为1.2HZ。
进一步，在启动焊接操作后，还包括以下步骤：
进行焊接起弧；
若焊接起弧成功，则根据配置好的焊接参数进行焊接，并在焊接完成后进行焊接收弧；若焊接收弧不成功，则持续起弧直至完成焊接。
进一步，所述焊接操作中，焊接轨迹按照预设的抛物线曲线进行变化。
进一步，所述焊接峰值电流的最小值为280A，所述焊接峰值电流的最大值为330A。
进一步，还包括选定焊接板材的步骤；
其中，所述焊接板材为铝合金薄板，所述铝合金薄板的厚度为2mm，焊丝直径为1.2mm。
第二方面，本发明实施例还提供了一种铝合金薄板的调制脉冲电流焊接系统，包括：
计算模块，用于基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
配置模块，用于对焊接参数进行配置，所述焊接参数包括焊接初始电流、阶梯脉冲电流、单脉冲基值电流、单脉冲峰值时间长度、阶梯脉冲时间长度、单脉冲基值时间长度、强弱阶梯脉冲群个数和低频调制频率；
焊接模块，用于根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。
第三方面，本发明实施例提供了一种铝合金薄板的调制脉冲电流焊接系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法。
上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流后，对焊接参数进行配置，然后再根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作；本发明采用抛物线波形函数调制后，抛物线函数调制脉冲部分形成了强脉冲群，没有函数调制部分形成弱脉冲群，由此天然形成强弱脉冲群交替出现双脉冲焊接效果，在铝合金薄板焊接试验中有良好的焊缝成型效果；本发明这种采用抛物线函数波形去调制的阶梯单脉冲电流焊接方法，形成了强弱脉冲群搅拌熔池效果，有利于气泡逸出；另外，阶梯波形带有熔滴过渡控制阶段，焊接过程的熔滴过渡规律性强，焊缝成型较好，铝合金薄板焊接上有良好的焊缝成型效果。
附图说明
图1为单脉冲焊接电流波形示意图；
图2为双脉冲焊接电流波形示意图；
图3为阶梯单脉冲电流波形示意图；
图4为高斯函数调制脉冲焊接电流波形示意图；
图5为本发明实施例的抛物线函数波形示意图；
图6为本发明实施例的抛物线函数调制阶梯单脉冲电流波形示意图；
图7为本发明实施例的整体步骤流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图7，本发明实施例提供了铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，包括以下步骤：
基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
对焊接参数进行配置，所述焊接参数包括焊接初始电流、阶梯脉冲电流、单脉冲基值电流、单脉冲峰值时间长度、阶梯脉冲时间长度、单脉冲基值时间长度、强弱阶梯脉冲群个数和低频调制频率；
根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。
进一步作为优选的实施方式，所述基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流这一步骤，包括以下步骤：
对抛物线函数标准公式进行优化；
根据焊接初始电流和优化后的抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
其中，所述焊接峰值电流的计算公式为：
Ip＝Ip0-x2+50，Ip为单脉冲峰值电流；Ip0为焊接初始电流，x取值范围是(-7.07,7.07),该区间保证Ip的最大取值为Ip0+50，最小取值为Ip0。
进一步作为优选的实施方式，所述焊接初始电流为280A；
所述阶梯脉冲电流为72A；
所述单脉冲基值电流为40A；
所述单脉冲峰值时间长度为1.5ms；
所述阶梯脉冲时间长度为5ms；
所述单脉冲基值时间长度为20ms；
所述强弱阶梯脉冲群个数为16个；
所述低频调制频率为1.2HZ。
进一步作为优选的实施方式，在启动焊接操作后，还包括以下步骤：
进行焊接起弧；
若焊接起弧成功，则根据配置好的焊接参数进行焊接，并在焊接完成后进行焊接收弧；若焊接收弧不成功，则持续起弧直至完成焊接。
进一步作为优选的实施方式，所述焊接操作中，焊接轨迹按照预设的抛物线曲线进行变化。
进一步作为优选的实施方式，所述焊接峰值电流的最小值为280A，所述焊接峰值电流的最大值为330A。
进一步作为优选的实施方式，还包括选定焊接板材的步骤；
其中，所述焊接板材为铝合金薄板，所述铝合金薄板的厚度为2mm，焊丝直径为1.2mm。
与图7的方法相对应，本发明实施例还提供了一种铝合金薄板的调制脉冲电流焊接系统，包括：
计算模块，用于基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
配置模块，用于对焊接参数进行配置，所述焊接参数包括焊接初始电流、阶梯脉冲电流、单脉冲基值电流、单脉冲峰值时间长度、阶梯脉冲时间长度、单脉冲基值时间长度、强弱阶梯脉冲群个数和低频调制频率；
焊接模块，用于根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。
本发明实施例提供了一种铝合金薄板的调制脉冲电流焊接系统，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法。
第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法。
具体的，下面以厚度为2mm，型号为ER4043铝合金薄板为例，详细描述本发明采用恒流焊和抛物线函数调制阶梯脉冲电流焊接方法的具体实施过程如下：
S1、选定要焊接的铝合金板材厚度为2mm，焊丝直径为1.2mm；
S2、设定焊接参数：Ip0的大小设为280A；Im的大小设为72A；Ib的大小设为40A；tp为1.5ms；tm为5ms；tb为20ms；强弱阶梯脉冲群个数均设定为16个；低频调制频率设为1.2HZ。Ip的大小由公式(3)计算出来，最小值为280A，最大值为330A，焊接过程中按照预先设定的抛物线曲线变化。
S3、开始焊接，起弧；
S4、起弧成功就按照步骤S2设定的参数进行焊接，不成功就继续起弧直到发出停止焊接命令；
S5、停止焊接，收弧。
本发明提出一种采用抛物线函数波形调制阶梯单脉冲形成一种新型的强弱脉冲群交替出现的双脉冲焊接方法，抛物线函数标准公式如下(1)所示：
x2＝-2py---(1)
公式(1)中抛物线开口向下，过原点，其焦点是
Figure BDA0002242130440000061
为了更有利于应用到铝合金薄板的焊接中，通过工艺试验验证，本实施例把公式稍作简化和改变为(2)所示：
y＝-x2+b---(2)
其中x∈(-7.07,7.07)，b的值根据试验效果取为50，这样调制脉冲峰值电流比阶梯脉冲峰值电流最多大50A。函数波形如图5所示。
电流波形如图6所示。参数Ib、Im和Ip的含义和图3中的一样。Ip的初值设为Ip0，其值随着抛物线函数曲线变化。则焊接峰值电流大小Ip为：
Ip＝Ip0-x2+50---(3)
其中，x∈(-7.07,7.07)
本发明的阶梯单脉冲波形因为有阶梯脉冲时间tm和阶梯脉冲电流Im存在，可以起着控制熔滴过渡的作用，但是因为没有双脉冲强弱脉冲群交替出现，对熔池起不到搅拌作用，因此焊缝成型不好，夹杂的气泡也多。采用抛物线波形函数调制后，抛物线函数调制脉冲部分形成了强脉冲群，没有函数调制部分形成弱脉冲群，天然形成强弱脉冲群交替出现双脉冲焊接效果，在铝合金薄板焊接试验中有良好的焊缝成型效果。
本发明把抛物线函数波形调制技术和阶梯单脉冲焊接电流波形相结合，形成一种新型的双脉冲焊接方法。和普通双脉冲焊接相比，抛物线函数曲线平滑，脉冲电流峰值变化平稳，同时阶梯单脉冲焊接熔滴过渡可控性好，组合在一起用于2mm薄板铝合金的焊接，取得良好的焊缝成型效果。
本发明与图4所示的技术相比，高斯曲线调制的强脉冲群峰值更尖锐，在铝合金薄板焊接时能量过于集中，母材容易被焊穿；相对比之下，抛物线函数曲线的图形更饱满，在保证强弱脉冲群交替出现的同时，能量过渡更柔和平稳，在薄板焊接时效果更好。同时本发明采用了调制阶梯脉冲的方法，就是利用了阶梯脉冲多了Im和tm熔滴过渡阶段，能够保证有熔滴在这个阶段滴落，减少了焊接过程大滴过渡不稳定性，对比图4技术的调制单脉冲来说，本发明增加了调制的精细性，越薄的铝合金材料对焊接工艺要求越高，本发明在应用于铝合金薄板材料焊接时，效果更好。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
对焊接参数进行配置，所述焊接参数包括焊接初始电流、阶梯脉冲电流、单脉冲基值电流、单脉冲峰值时间长度、阶梯脉冲时间长度、单脉冲基值时间长度、强弱阶梯脉冲群个数和低频调制频率；
根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。
2.根据权利要求1所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：所述基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流这一步骤，包括以下步骤：
对抛物线函数标准公式进行优化；
根据焊接初始电流和优化后的抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
其中，所述焊接峰值电流的计算公式为：
Ip＝Ip0-x2+50，Ip为单脉冲峰值电流；Ip0为焊接初始电流。
3.根据权利要求1所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：
所述焊接初始电流为280A；
所述阶梯脉冲电流为72A；
所述单脉冲基值电流为40A；
所述单脉冲峰值时间长度为1.5ms；
所述阶梯脉冲时间长度为5ms；
所述单脉冲基值时间长度为20ms；
所述强弱阶梯脉冲群个数为16个；
所述低频调制频率为1.2HZ。
4.根据权利要求1所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：在启动焊接操作后，还包括以下步骤：
进行焊接起弧；
若焊接起弧成功，则根据配置好的焊接参数进行焊接，并在焊接完成后进行焊接收弧；若焊接收弧不成功，则持续起弧直至完成焊接。
5.根据权利要求1所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：所述焊接操作中，焊接轨迹按照预设的抛物线曲线进行变化。
6.根据权利要求1所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：所述焊接峰值电流的最小值为280A，所述焊接峰值电流的最大值为330A。
7.根据权利要求1所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法，其特征在于：还包括选定焊接板材的步骤；
其中，所述焊接板材为铝合金薄板，所述铝合金薄板的厚度为2mm，焊丝直径为1.2mm。
8.铝合金薄板的调制脉冲电流焊接系统，其特征在于：包括：
计算模块，用于基于抛物线函数标准公式，计算焊接峰值电流；
配置模块，用于对焊接参数进行配置，所述焊接参数包括焊接初始电流、阶梯脉冲电流、单脉冲基值电流、单脉冲峰值时间长度、阶梯脉冲时间长度、单脉冲基值时间长度、强弱阶梯脉冲群个数和低频调制频率；
焊接模块，用于根据计算得到的焊接峰值电流和配置的焊接参数，基于预设的抛物线曲线启动焊接操作。
9.铝合金薄板的调制脉冲电流焊接系统，其特征在于：包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-7中任一项所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法。
10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-7中任一项所述的铝合金薄板的调制脉冲电流焊接方法。
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