CN113770488A - 一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，涉及焊接工艺领域，利用了脉冲熔化极气体保护焊过程中每个周期内的短路初始电流作为表征弧长的参数，通过实际短路初始电流I₀’与设置的目标短路初始电流I₀相比，判断实际焊接过程中弧长是否过长或短，从而通过控制焊接电压对弧长进行调控。本发明只需在焊前设定目标短路初始电流与容差，可以避免反复试验寻求最佳电压以获得合适弧长，利用短路初始电流作为参考，实现焊接电压的自动调节，能够快速、高效地获得合适的短路过渡弧长，且改变其他实验参数后仍能通过该方法高效获得合适的弧长。本发明引入了反馈调节机制，能够极大提高弧长的稳定性，从而提高焊接过程的稳定性。

Description

一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法

技术领域

本发明涉及焊接工艺领域，尤其涉及一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法。

背景技术

熔化极气体保护焊具有熔覆效率高、成本低、易实现自动化等优点被广泛应用于实际焊接生产。脉冲熔化极气体保护焊是使用脉冲电流、电压波形，利用较高的峰值电流促进焊丝熔化与熔滴过渡，而基值阶段电流、电压较低，仅用于维持电弧的燃烧，从而能够在平均电流与电压不高的情况下实现平稳的熔滴过渡，同时维持较低的热输入。

本专利基于镍基合金的脉冲熔化极气体保护焊提出。镍基合金的表面张力大，黏度高，焊接时熔敷金属铺展困难，易产生侧壁未熔合与根部未焊透等缺陷。为达到较好的焊接效果，通常采用短弧焊接镍基合金，利用短弧下电弧集中、电弧作用力大的特点改善熔池铺展，并增大母材熔化量，以消除未熔合与未焊透缺陷。

由于镍基合金表面张力大，焊接过程中熔滴不易脱离焊丝，在短弧下焊接会产生短路。短路下短路液相桥在电阻热作用下迅速升温，内部金属剧烈汽化产生爆破，会导致短路液柱爆断，形成大量飞溅并破坏焊接的稳定性。理想情况下的短弧脉冲熔化极气体保护焊的短路过渡周期如图1所示：基值阶段，熔滴悬垂在焊丝端部，电流较低维持电弧燃烧(图1-(a))；电流上升阶段，焊丝熔化，熔滴长大(图1-(b))；峰值电流阶段，在较大等离子流力与电磁收缩力作用下熔滴向熔池过渡并产生缩颈(图1-(c))；随后在电流下降阶段熔滴继续向熔池靠近，与熔池接触形成短路，此时已产生明显缩颈(图1-(d))；在缩颈处电流密度高，短路液相桥在此断裂，理想状态下短路电流较低，液相桥断裂后不产生飞溅，从而实现平稳的短路过渡(图1-(e))；液相桥断裂后重新起弧，随后恢复基值阶段，熔滴悬挂在焊丝端部(图1-(f))。基于专利《一种镍基合金熔化极气体保护焊焊接波形控制方法》(公开号：CN110369838A)，在短路发生后抑制短路电流，可以降低飞溅产生并减少对焊接稳定性的破坏。但需注意在脉冲熔化极气体保护焊的短弧焊接中，除短路电流控制外，弧长也是影响焊接质量的重要因素。

通常短路发生在电流下降阶段，当短路发生后，使用基于CN110369838A专利的短路电流控制方法将短路电流维持在较低值，以减少飞溅的产生。但是，该技术无法改变弧长对短路初始电流以及对短路液相桥形态的影响。弧长对脉冲熔化极气体保护焊的影响如图2所示。图2展示了不同弧长下短路发生时刻所对应的短路初始电流。从图2可见，弧长L下，弧长相对较长，短路发生时短路初始电流I₀相对较低，且短路发生时熔滴已产生明显缩颈。在该条件下，细长的短路液相桥容易断裂，且可避免飞溅的产生，获得较高焊接稳定性。而图2中，弧长L’下，弧长过短，即L’<L。弧长的缩短使得短路发生的时间提前，因此短路初始电流I₀’显著增加，容易导致大量飞溅的产生。此外，弧长过短，熔滴接触熔池时来不及产生明显缩颈，短路液相桥更粗，不易断裂，会导致短路时间增加，短路能量积聚后易产生更剧烈的爆断产生大量飞溅并破坏焊接稳定性。因此，在短弧脉冲熔化极气体保护焊中，需要严格控制弧长以获得合适的短弧。实际生产中希望短路发生在电流下降至接近基值电流，以获得较低的初始短路电流，从而避免短路造成的负面影响。此外，焊接过程中需要保持弧长的稳定，以实现较高的焊接稳定性。

脉冲熔化极气体保护焊中，由于短路通常发生在短路下降阶段，因此短路初始电流与弧长之间存在相互关联：弧长越长，短路初始电流越低；弧长越短，短路初始电流越高。本专利对焊接过程中的短路初始电流进行检测，根据短路初始电流进行弧长调控，并且加入反馈调节机制，不仅能够精确、快速、高效获得适合短路过渡的短弧，还能够维持弧长的相对稳定，在消除短路负面影响的前提下充分利用短弧的优势进行焊接。

弧长的调控可通过对焊接电压的调节实现：更高的焊接电压下可以获得更大的弧长；更低的焊接电压下所得弧长更短。目前的弧长控制方法通常是在焊前设定一个给定的电压，以对焊接电弧长度进行调整，但是该方法存在较大缺陷，不利于短路过渡下的弧长调控：

1.电压与弧长的关系复杂，为获得合适的弧长需要反复进行尝试，难以快速将电弧长度控制在理想范围内以消除短路负面影响；

2.弧长不仅与电压有关，还会受其他焊接因素影响，当改变焊接条件后，同样的电压可能对应不同的弧长，不利于快速获得合适的短弧；

3.通过焊前设定焊接电压的方式难以获得稳定的弧长，焊接过程中实际电压会发生一定波动，导致弧长产生一定的变化，弧长不稳定，不利于短弧下的焊接。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，可以对焊接电压进行自动调节，以实现弧长调控，通过合适的设定可高效、快捷获得合适的弧长，并能够通过反馈调节保持弧长的高度稳定性。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设定焊接电压调节依据并自动地调节焊接电压，并能够通过反馈调节保持稳定地控制焊接弧长。

为实现上述目的，本发明提供了一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设置脉冲熔化极气体保护焊的基本参数；

步骤2、设置目标短路初始电流I₀；

步骤3、设置一个初始焊接电压U₀；

步骤4、检测脉冲周期内是否发生短路，若无所述短路产生，则在下个脉冲周期中减小弧长，并在下个脉冲周期中重复步骤4，直至出现所述短路；若脉冲周期中出现所述短路，则跳转至步骤5；

步骤5、对该脉冲周期内的短路初始电流进行测量，测量出该脉冲周期内的实际短路初始电流I₀’；

步骤6、比较所述实际短路初始电流I₀’与设定的所述目标短路初始电流I₀，判断是否对所述弧长进行调节；若不需要调节，则从步骤4开始重复以上步骤；若需要调节，则需要进行步骤7；

步骤7、通过控制焊接电压对所述弧长进行修正，该步骤结束后，在下个脉冲周期中再从步骤4开始重复。

进一步地，还包括短路初始电流容差M的设定步骤。

进一步地，步骤1中所述基本参数包括基值电流、峰值电流、基值持续时间、峰值持续时间和电流上升下降的速率。

进一步地，步骤2中所述目标短路初始电流I₀实际上定义了理想弧长，在后续焊接过程中会自动调整所述弧长，最终使得相应所述弧长下焊接的所述实际短路初始电流I₀’与设定值I₀接近，从而使实际的所述弧长接近所述理想弧长。

进一步地，步骤3中所述初始焊接电压U₀为焊接过程中第一个脉冲周期内的焊接电压，所述初始焊接电压包括第一个脉冲周期内的基值电压与峰值电压，通过该设定给定了焊接的初始弧长，随后开始焊接，并在后续焊接过程中进行反馈调节。

进一步地，步骤4中所述弧长的减小是通过所述焊接电压的降低实现的。

进一步地，步骤6中所述实际短路初始电流I₀’与设定的所述目标短路初始电流I₀的比较方法为对比|I₀-I₀’|与所述短路初始电流容差M的大小；若|I₀-I₀’|≤M，则认为所述弧长控制在理想弧长的容差范围内，不需要对所述弧长进行调节；若|I₀-I₀’|>M，则认为所述弧长偏离了所述理想弧长的容差范围，需要对所述弧长进行调节。

进一步地，步骤7中对所述弧长的修正办法为：若I₀<I₀’，则说明所述弧长过短，在下个脉冲周期中增加所述弧长，对所述弧长进行修正；若I₀>I₀’，则说明所述弧长过长，在下个脉冲周期中减小所述弧长，对所述弧长进行修正。

进一步地，通过提高所述焊接电压以增加所述弧长，通过降低所述焊接电压以减小所述弧长。

进一步地，步骤4中所述短路发生后将短路电流抑制在15A～40A以减少焊接飞溅，所述目标短路初始电流I₀设置为40～80A，所述短路初始电流容差M设置为5～20A。

通过以上步骤，在焊接过程中能对焊接电压进行反馈调节，从而实现对弧长的反馈调节，最终将每个脉冲周期内的实际短路初始电流I₀’控制在设定的目标短路初始电流I₀附近范围内(容差M)，即将实际焊接弧长控制在理想弧长的范围内。合理地设定I₀与M，可以使短路发生时的初始电流较低，通过该弧长调控方法，可有效、快捷获得合适的短路过渡弧长，消除短路对焊接造成的负面影响，充分利用短弧焊接的优势。脉冲熔化极气体保护焊中，弧长与短路初始电流之间存在相互关联，可以将短路初始电流用作控制弧长的参考标准。本发明在焊接过程中对初始短路电流进行检测，依据初始短路电流的测量结果对焊接电压进行自动调节，以实现弧长调控，通过合适的设定可高效、快捷获得合适的弧长，并能够通过反馈调节保持稳定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

(1)使用该方法，只需在焊前设定目标短路初始电流与容差，与现有的焊前设定焊接电压调整弧长的方式相比，可以避免反复试验寻求最佳电压以获得合适弧长，该方法利用短路初始电流作为参考，实现焊接电压的自动调节，能够快速、高效地获得合适的短路过渡弧长，且改变其他实验参数后仍能通过该方法高效获得合适的弧长；

(2)通过每个脉冲周期中短路初始电流的反馈调节实现了弧长的反馈调节，与焊前设定电压控制弧长的方式相比，该方法引入了反馈调节机制，能够极大提高弧长的稳定性，从而提高焊接过程的稳定性，以达到较好的焊接效果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是理想短弧脉冲熔化极气体保护焊下的短路过渡示意图；其中：1-焊丝；2-熔滴；3-电弧；4-工件；5-短路液相桥；

图2是弧长对短弧脉冲熔化极气体保护焊的影响示意图；其中：A-基值阶段；B-上升阶段；C-峰值阶段；D-下降阶段；E-短路阶段；F-短路后电弧重燃阶段；

图3是借助短路初始电流进行短路过渡弧长控制的技术方案流程图；

图4是未考虑短路条件下，本发明一个较佳实施例的脉冲熔化极气体保护焊波形示意图；其中：A-基值阶段；B-上升阶段；C-峰值阶段；D-下降阶段；

图5是本发明另一较佳实施例的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡弧长控制情况示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

本发明中的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方案基于对焊接过程中短路初始电流的反馈调节，其技术流程如图3所示。该方法利用了脉冲熔化极气体保护焊过程中每个周期内的短路初始电流作为表征弧长的参数，通过实际短路初始电流与设定值相比，了解实际焊接过程中弧长是否过长或短，并根据差异自动进行弧长的调整与修正，从而对弧长进行调控，可以在焊接过程中保证弧长的高度稳定性。。在焊前设定目标短路初始电流，实际焊接过程中测量实际初始短路电流，根据测量值与目标值差异为参照自动对焊接电压调整，以获得合适弧长，可以避免反复试验寻求最佳电压，实现电压的自适应调节，即使焊接条件改变仍能自动调节到合适的电压值以获得合适的弧长。

实施例

步骤1：设置脉冲熔化极气体保护焊的基本参数，如基值电流、峰值电流、基值持续时间、峰值持续时间、电流上升下降的速率等，在本实施例中，基值电流为35A，峰值电流为485A，基值持续时间10ms，峰值持续时间2ms，电流上升速率为600A/ms，电流下降速率为600A/ms，如图4、图5所示。

步骤2：设置目标短路初始电流I₀，该设定值实际上定义了理想的电弧长度，在后续焊接过程中会自动通过焊接电压调节调整弧长，最终使得相应弧长下焊接的实际短路初始电流I₀’与设定的目标短路初始电流I₀接近，从而使实际焊接弧长接近理想值。在该实施例中，设定I₀为60A，该值被标示在图5中。

步骤3：设定短路初始电流容差M，该值作用为，当目标短路初始电流的设定值与实际测量值之间相差超过容差时，能够自动对焊接电压进行调节，从而对弧长进行修正，使下一个脉冲周期中I₀’向I₀接近，即实际焊接弧长向理想弧长靠近。在该实施例中，M设定为10A，该值被标注在图5中。

步骤4：设置一个初始焊接电压U₀，该电压为焊接过程中第一个脉冲周期内的焊接电压，初始焊接电压U₀包括初始基值电压和初始峰值电压，通过该设定给定了焊接的初始弧长，随后开始焊接，并在后续焊接过程中进行反馈调节，对焊接电压进行修改。设定初始基值电压为20V，峰值电压为44V，并标注在图4、图5中。

步骤5：检测脉冲周期内是否发生短路，若无短路产生，说明电弧过长，则在下个脉冲周期中降低焊接电压以减小弧长，并在下个脉冲周期中重复步骤5，直至出现短路；若脉冲周期中出现短路，则跳转至步骤6。在实施例中，可基于专利CN110369838A将短路电流抑制在较低值，以减少焊接飞溅，进一步消除短路负面影响。本实施例中将短路电流控制在20A。图5为一个控制情况示例：在第一脉冲周期中，初始电压已经设定，在第一脉冲周期中未发生短路，因此根据该步骤，在第二脉冲周期中降低基值电压与峰值电压，使弧长降低，并在第二周期中重复步骤5；第二脉冲周期中弧长降低，但仍未出现短路，因此第三脉冲周期中继续降低基值电压与峰值电压，进一步缩短弧长，并在第三脉冲周期中重复步骤5；在第三脉冲周期中，检测到了短路出现，则跳转至步骤6。

步骤6：对该脉冲周期内的短路初始电流进行测量，测量出该脉冲周期内的实际短路初始电流I₀’。在图5所示示例中，第三脉冲周期出现短路，因此在第三脉冲周期对实际短路初始电流I₀’进行测量，并跳至步骤7。

步骤7：比较实际短路初始电流I₀’与设定的目标短路初始电流I₀，若I₀与I₀’间差值小于或等于容差M，即|I₀-I₀’|≤M，则认为弧长控制在理想弧长的容差范围内，不需对焊接电压进行调控，在下个脉冲周期中从步骤5开始重复以上步骤；若I₀与I₀’间差值大于容差M，即|I₀-I₀’|>M，则说明实际焊接弧长偏离了设定的理想弧长范围，需要进行步骤8。在图5所示示例中，将第三脉冲周期测量的实际短路初始电流I₀’与目标短路初始电流I₀(60A)比较，结果为|I₀-I₀’|>M，表明弧长偏离理想范围，需要对弧长进行调控，跳至步骤8。

步骤8：比较实际短路初始电流I₀’与目标短路初始电流I₀的大小，若I₀<I₀’，则说明实际弧长过短，在下个脉冲周期中提高焊接电压以增加弧长，对弧长进行修正；若I₀>I₀’，则说明实际弧长过长，在下个脉冲周期中降低焊接电压以减小弧长，对弧长进行修正。该步骤结束后，在下个脉冲周期中再从步骤5开始重复。在图5所示的示例中，第三脉冲周期中I₀<I₀’，说明实际弧长过短，在第四脉冲周期中增加基值电压与峰值电压，以增加弧长，并在第四个脉冲周期中再从步骤5开始。步骤5检测到第四脉冲周期中存在短路，跳转至步骤6。步骤6中对第四脉冲周期中实际短路初始电流I₀’测量后跳至步骤7。步骤7中比较第四脉冲周期实际短路初始电流I₀’与目标短路初始电流I₀(60A)，比较结果为|I₀-I₀’|≤M，表明实际弧长在理想弧长范围内，因此不需要对弧长进行调控，只需在下个脉冲周期跳转至步骤5。不断在每个脉冲周期中重复步骤5-步骤8，可实现脉冲熔化极气体保护焊短路过渡弧长调控，获得稳定且合适的短弧，避免短路造成的负面影响以实现良好的焊接效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设置脉冲熔化极气体保护焊的基本参数；

步骤2、设置目标短路初始电流I₀；

步骤3、设置一个初始焊接电压U₀；

步骤4、检测脉冲周期内是否发生短路，若无所述短路产生，则在下个脉冲周期中减小弧长，并在下个脉冲周期中重复步骤4，直至出现所述短路；若脉冲周期中出现所述短路，则跳转至步骤5；

步骤5、对该脉冲周期内的短路初始电流进行测量，测量出该脉冲周期内的实际短路初始电流I₀’；

步骤6、比较所述实际短路初始电流I₀’与设定的所述目标短路初始电流I₀，判断是否对所述弧长进行调节；若不需要调节，则从步骤4开始重复以上步骤；若需要调节，则需要进行步骤7；

步骤7、通过控制焊接电压对所述弧长进行修正，该步骤结束后，在下个脉冲周期中再从步骤4开始重复。

2.如权利要求1所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，还包括短路初始电流容差M的设定步骤。

3.如权利要求1所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤1中所述基本参数包括基值电流、峰值电流、基值持续时间、峰值持续时间和电流上升下降的速率。

4.如权利要求1所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤2中所述目标短路初始电流I₀实际上定义了理想弧长，在后续焊接过程中会自动调整所述弧长，最终使得相应所述弧长下焊接的所述实际短路初始电流I₀’与设定值I₀接近，从而使实际的所述弧长接近所述理想弧长。

5.如权利要求1所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤3中所述初始焊接电压U₀为焊接过程中第一个脉冲周期内的焊接电压，所述初始焊接电压包括第一个脉冲周期内的基值电压与峰值电压，通过该设定给定了焊接的初始弧长，随后开始焊接，并在后续焊接过程中进行反馈调节。

6.如权利要求1所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤4中所述弧长的减小是通过所述焊接电压的降低实现的。

7.如权利要求2所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤6中所述实际短路初始电流I₀’与设定的所述目标短路初始电流I₀的比较方法为对比|I₀-I₀’|与所述短路初始电流容差M的大小；若|I₀-I₀’|≤M，则认为所述弧长控制在理想弧长的容差范围内，不需要对所述弧长进行调节；若|I₀-I₀’|>M，则认为所述弧长偏离了所述理想弧长的容差范围，需要对所述弧长进行调节。

8.如权利要求2所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤7中对所述弧长的修正办法为：若I₀<I₀’，则说明所述弧长过短，在下个脉冲周期中增加所述弧长，对所述弧长进行修正；若I₀>I₀’，则说明所述弧长过长，在下个脉冲周期中减小所述弧长，对所述弧长进行修正。

9.如权利要求2所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，通过提高所述焊接电压以增加所述弧长，通过降低所述焊接电压以减小所述弧长。

10.如权利要求2所述的脉冲熔化极气体保护焊短路过渡的弧长控制方法，其特征在于，步骤4中所述短路发生后将短路电流抑制在15A～40A以减少焊接飞溅，所述目标短路初始电流I₀设置为40～80A，所述短路初始电流容差M设置为5～20A。

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