CN110893501A - 一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，属于水下焊接工艺技术领域，步骤如下：进行焊接准备；连接焊机、送丝机与上位机，测试焊机、送丝机与上位机的通讯信号；设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接，上位机对送丝机输出脉冲信号，送丝机按照指定频率进行焊丝的送进与抽回。从改变湿法焊接熔滴受力条件入手，通过焊丝在预设波形的控制下先送进，后在熔滴长大并通过大滴排斥过渡前利用焊丝的快速回抽，由此产生的动量变化，配合熔滴本身的重力，保证熔滴沿焊丝轴线进入熔池，实现一脉一滴的、较小熔滴尺寸的自由过渡模式。从源头上解决水下湿法的熔滴过渡困难，成本投入小，便于推广，具有较好的发展前景。

Description

一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法

技术领域

本发明涉及一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，属于水下焊接工艺技术领域。

背景技术

水下湿法焊接过程中，由于熔滴受到较强的排斥力的作用，其熔滴过渡存在尺寸较大、频率较低等特点，容易导致严重飞溅并影响焊缝成形质量。通常陆上空气中的熔滴过渡方式与水下焊接过程中的熔滴过渡方式有着本质的区别，水下焊接其环境极其复杂，焊接电弧弧压难以稳定控制，气泡环境极易破裂，大滴排斥过渡频率低，飞溅量大等等都是造成水下焊接过程难以调控及焊缝成形差的原因，焊丝送进速度的微小变化都会造成焊接电弧及其气泡的剧烈变化，从而导致熄弧的发生，因此陆上焊接并不适用于水下焊接。在水下焊接中，采用脉冲电流对熔滴过渡进行控制的方法，虽然能够在熔滴达到一定尺寸时，通过降低焊接电流显著减小其受到的排斥力，但形成缩颈时主要依靠重力和电磁力，存在促使熔滴向下的过程耗时较长、熔滴尺寸较大等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于脉冲电流与推拉丝马达协同控制熔滴过渡的水下湿法焊接方法，在熔滴从受排斥状态到向下垂落的时刻，利用推拉丝马达对焊丝进行反抽，配合重力和电磁收缩力等促进熔滴形成缩颈、脱落，以较小尺寸和较高频率顺利过渡到液态熔池中，实现协调控制的熔滴过渡，改善焊缝成形和焊接过程稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，包括步骤如下：

步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，将焊丝伸出焊枪；

步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；上位机通常为焊接过程中对焊机输出进行控制的装置，由于本发明的焊接过程中还是需要对焊机的电流波形进行控制，因此需要焊机有与上位机通讯的接口，将焊机与上位机连接，当上位机与焊机通讯正常并且焊机向上位机返回了正常的信号后，即可进入下一步；

步骤(3)、连接送丝机与上位机，测试送丝机与上位机的通讯信号；

步骤(4)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接；上位机对送丝机输出脉冲信号，送丝机按照指定频率进行焊丝的送进与抽回。由于采用了水下湿法自保护药芯焊丝进行焊接，高温焊缝金属及熔滴会受到焊渣、分解产生气体的联合保护，因此焊接过程中不需要通入保护气。

步骤(1)中，焊丝的伸出长度为17mm。焊丝选用普通水下湿法药芯焊丝即可，对于焊丝方面没有过多的要求。焊丝直径为1.6mm或2.0mm。焊丝参数的选用根据待焊工件的厚度和焊机功率即可确定、选用。

步骤(2)中，所述上位机为普通PC机，也可以使用PLC可编程控制器、单片机等。焊机与上位机之间通过数字信号进行通讯。由于本发明中的电流的波形变化较快，必须依赖数字信号进行通讯才能保证足够得响应速度。

根据本发明优选的，所述步骤(4)中，焊丝送进与焊丝回抽的时间占比为5:1，焊丝送进包括焊丝快速送进和焊丝慢速送进，焊丝回抽速度为焊丝慢速送进速度的10倍。保证有足够的焊丝填充焊缝，焊丝短时快速回抽保证其对熔滴过渡的促进效果。

进一步优选的，所述步骤(4)中，脉冲电流的一个脉冲周期波形包括背景电流波形段、第一谷值电流波形段、箍缩电流波形段、第二谷值电流波形段；焊丝在一个脉冲周期的背景电流波形段进行慢速送进，焊丝在第一谷值电流波形段、箍缩断流波形段进行快速抽回，焊丝在第二谷值电流波形段进行快速送进。快速抽回动作发生在整个箍缩阶段和第一谷值阶段，同理，慢速送进发生在整个背景电流波形段、快速送进发生在整个第二谷值电流波形段中。

进一步优选的，所述步骤(4)中，背景电流波形段持续的背景时间为20ms，第一谷值电流波形段持续的第一谷值时间为3ms，箍缩电流波形段持续的箍缩时间为3ms，第二谷值电流波形段持续的第二谷值时间为10ms。此时脉冲频率为25HZ左右。

进一步优选的，所述步骤(4)中，设定焊丝慢速送进速度为4m/min，快速送进速度为20m/min，快速抽回速度为40m/min。

进一步优选的，所述步骤(4)中，焊丝在进行快速送进时、进行慢速送进时、进行快速抽回时的送丝形式为等速送丝。

本发明将脉冲焊接方法应用到水下湿法FCAW上，利用焊丝送进抽回的动量对其熔滴受力条件进行改变，获得小尺寸熔滴的自由过渡，显著优化湿法FCAW过程稳定性和焊缝成形，更容易获得高质量的焊接接头，承受水压、水流等恶劣因素的影响。

本发明焊接工艺采用的是脉冲电流配合推拉丝马达进行焊接，即焊接过程送丝速度根据电流输出波形有规律的送进回抽。焊接过程中，电流变化较快，因此必须采用数字信号进行通讯，以保证足够得响应速度。整个过程送丝速度按照预定波形进行相应的变化，利用焊丝送进回抽带来的动量变化，电流电压匹配较好的焊接参数，配合上较高的脉冲频率，从而达到改善熔滴过渡形式的目的，进而实现一脉一滴的过渡方式。

本发明是基于水下焊接复杂的焊接环境、水下焊特有的“大尺寸熔滴”及大熔滴排斥过渡方式所提出的一种基于脉冲电流与推拉丝马达的水下焊接熔滴过渡协同控制方法，利用焊丝在正常送进过程中短时急速回抽、急速送进产生微量抖动，相对于焊丝正常送进速度来说，该变化应对于焊接弧长几乎没有影响。其效果在于带来的动量变化加上大熔滴本身重力，配合脉冲电流对熔滴进行协同控制，使其在气泡内沿焊丝轴线方向脱落，并稳定过渡到熔池。

其另一方面作用在于利用焊丝在熔滴长大过程中配合箍缩电流对其产生的缩颈脱离作用，及熔滴脱落后焊丝的适当送进所带来的稳弧作用，改变水下焊接过程中熔滴过渡方式，减小大滴排斥过渡方式出现的频率，并减小因该过渡方式所造成的大量飞溅及熄弧等情况，从而有效改善焊接过程稳定性，形成良好的焊缝成形。

本发明所适用的水下焊接过程与陆上的焊接有很大区别，本发明并不是通过回抽焊丝使得焊丝前段的熔化焊滴以“甩入”的姿态甩到焊接熔池，基于水下焊接复杂的水下环境以及水下焊接特有的“大尺寸”熔滴等情况，如果熔化焊滴以“甩入”的姿态甩到焊接熔池，会极大增加焊接过程的不稳定。简单的焊丝慢送回抽只适用于陆上焊接过程，而在水下环境中则会造成水下焊接电弧的不稳定极易导致熄弧。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的脉冲电流作用下的水下湿法FCAW送丝协同控制熔滴自由过渡机理研究，从改变湿法焊接熔滴受力条件入手，通过焊丝在预设波形的控制下先送进，后在熔滴长大并通过大滴排斥过渡前利用焊丝的快速回抽，由此产生的动量变化，配合熔滴本身的重力，保证熔滴沿焊丝轴线进入熔池，实现一脉一滴的、较小熔滴尺寸的自由过渡模式。

与现有的技术对比，本方案具有较为明显的优点，从熔滴受力的角度着手，利用焊丝送进回抽直接干预熔滴的动量变化，配合脉冲波形促进熔滴沿焊丝轴线过渡到熔池中，针对水下焊接熔滴过渡特点，从根源上解决了熔滴过渡困难，并且没有副作用。焊枪上没有附加其他装置，焊缝的可达性好，适合全位置，具有较好的发展前景。本发明的实施能够丰富水下湿法焊接工艺，优化水下湿法FCAW过程的鲁棒性和稳定性，具有重要的学术理论意义和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法的一个脉冲周期示意图,图中向下箭头为焊丝送进，向上箭头为焊丝抽回。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，包括步骤如下：

步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，焊丝伸出焊枪，伸出长度为17mm；焊丝使用普通水下湿法自保护药芯焊丝，本实施例中使用金桥低合金钢药芯焊丝JC-26Ni1，焊丝直径为1.6mm，焊丝参数选用可根据待焊工件的厚度和焊机功率进行更改。

步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；上位机是指焊接过程中对焊机输出进行控制的装置，由于本发明的焊接过程中需要对焊机的电流波形进行控制，因此需要焊机有与上位机通讯的接口，将焊机与上位机连接，当上位机与焊机通讯正常并且焊机向上位机返回了正常的信号后，即可进行下一步，本实施方式中上位机为PC机。焊机与上位机之间通过数字信号进行通讯。由于本发明中的电流的波形变化较快，要求控制响应速度较快，模拟信号由于自身响应速度较慢，响应速度达不到毫秒级，因此不能采用，运用数字信号的控制即可满足这个条件，所以必须依赖数字信号进行通讯才能保证足够得响应速度。本实施方式中，是通过RS422接口基于MODBUS-RTU通讯协议并且运用Labview进行编程从而实现对焊机的控制。本领域技术人员可根据具体焊机的不同进行相应设置。

步骤(3)、连接送丝机与上位机，测试送丝机与上位机的通讯信号。本实施例中，选用外置空冷推拉丝马达是：4,036,355Robacta Drive CMT G。

步骤(4)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接，焊接电流的脉冲波形的一个脉冲周期包括背景电流(background current)、第一谷值电流、箍缩电流(pinchcurrent)、第二谷值电流，焊丝在一个脉冲周期的背景电流波形段进行慢送，焊丝在第一谷值电流波形段、箍缩断流波形段进行快速抽回，焊丝在第二谷值电流波形段快速送进。

如图1所示，图1为原理图，先发生的谷值电流为第一谷值电流，后发生的谷值电流为第二谷值电流，背景电流持续的背景时间为20ms，第一谷值电流持续的第一谷值时间为3ms，箍缩电流持续的箍缩时间为3ms，第二谷值电流持续的第二谷值时间为10ms。送丝机所接受一个脉冲周期波形包括背景电流波形段、第一谷值电流波形段、箍缩电流波形段、第二谷值电流波形段。此时脉冲频率为25HZ左右。上位机对送丝机输出脉冲信号，送丝机按照指定频率进行焊丝的送进与抽回，焊丝送进与焊丝回抽的时间占比为5:1，焊丝送进包括焊丝快速送进和焊丝慢速送进，焊丝回抽速度为焊丝慢速送进速度的10倍。

送丝速度可根据平均电流的值来确定，设定焊丝在背景电流波形段慢速送进速度为4m/min，在第二谷值电流波形段快速送进速度为20m/min，在第一谷值电流波形段、箍缩电流波形段快速抽回速度为40m/min。在快速送进、慢速送进、快速抽回各段内的送丝形式为等速送丝。

由于是水下湿法焊接，采用了自保护药芯焊丝进行焊接，因此焊接的过程中不需要通入保护气。焊接采用自动焊，水深方面没有太大的影响，本实施方式的操作环境为在浅水条件下进行，水深的改变势必需要对参数进行重新调整，本领域技术人员利用本发明的工艺进行的参数调整也属于本发明的保护范围。

本发明从控制熔滴受力的角度着手，如图1所示，采用送丝动量对熔滴过渡过程进行调控，即在熔滴长大后，在较短时间内急速改变送丝方向，从而产生动量变化，有效打破熔滴受力平衡，熔滴将由被排斥状态转换为向下垂落，配合其重力以及回抽动量进一步脱离焊丝(即图中t₄——t₆时刻)，在t₄——t₆时刻进行回抽，焊丝在这一段内的回抽完成对熔滴脱落的促进作用，使其在下一刻完成脱落；保证熔滴沿焊丝轴线进入熔池(即图中t₇时刻)，在t₇时刻快速送丝，尽量减小焊接电弧弧长的波动，保证焊接电弧的稳定，随后开始下一个周期。

Claims (6)

1.一种湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤(1)、焊接准备：装夹好待焊工件，将焊丝伸出焊枪；

步骤(2)、连接焊机与上位机，测试焊机与上位机的通讯信号；当上位机与焊机通讯正常并且焊机向上位机返回了正常的信号后，即进入下一步；

步骤(3)、连接送丝机与上位机，测试送丝机与上位机的通讯信号；

步骤(4)、设定焊接参数，设定焊接电流为脉冲电流，开始焊接；上位机对送丝机输出脉冲信号，送丝机按照指定频率进行焊丝的送进与抽回。

2.根据权利要求1所述的湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，焊丝送进与焊丝回抽的时间占比为5:1，焊丝送进包括焊丝快速送进和焊丝慢速送进，焊丝回抽速度为焊丝慢速送进速度的10倍。

3.根据权利要求2所述的湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，脉冲电流的一个脉冲周期波形包括背景电流波形段、第一谷值电流波形段、箍缩电流波形段、第二谷值电流波形段；焊丝在一个脉冲周期的背景电流波形段进行慢速送进，焊丝在第一谷值电流波形段、箍缩断流波形段进行快速抽回，焊丝在第二谷值电流波形段进行快速送进。

4.根据权利要求3所述的湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，背景电流波形段持续的背景时间为20ms，第一谷值电流波形段持续的第一谷值时间为3ms，箍缩电流波形段持续的箍缩时间为3ms，第二谷值电流波形段持续的第二谷值时间为10ms。

5.根据权利要求4所述的湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，设定焊丝慢速送进速度为4m/min，快速送进速度为20m/min，快速抽回速度为40m/min。

6.根据权利要求5所述的湿法焊接熔滴过渡的脉冲电流与推拉丝协同控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中，焊丝在进行快速送进时、进行慢速送进时、进行快速抽回时的送丝形式为等速送丝。

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