CN115464238A - 一种基于交流波形控制的焊接控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交流波形控制的焊接控制方法及系统，包括：在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；通过设定所述负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控所述过渡周期内焊接过程中的热输入。本发明在实现交流气保焊工艺燃弧阶段换向技术的基础上，通过智能分配燃弧阶段正、负半波的换向时间来控制换向前后的燃弧能量，实现了在一个熔滴过渡周期内的换向工作，保证了各过渡周期热输入量高低的一致性。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种基于交流波形控制的焊接控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着科技及生产力的发展，各行业对3mm以下金属薄板焊接领域涉及的焊接效率、焊接成本及焊接质量等相关问题提出了更高的要求，目前，对3mm以下金属薄板，常用的焊接方法主要有四种，分别是：TIG氩弧焊、冷金属过渡焊接(CMT)、传统的恒压气保焊及交流气保焊，四种形式各有优势，但也都存在局限性及不足。
TIG氩弧焊可有效控制热输入，但生产效率低是其主要问题；CMT采用机械回抽丝实现冷金属过渡，降低热输入，但焊接成形存在窄、高问题严重，且机器成本也极高，无法做到大面积推广使用；传统的恒压气保焊为直流反接，热输入高，薄板焊接易焊穿、焊漏，影响生产效率。
目前市场上现有的交流气保焊大多是以一个熔滴过渡完成为周期进行换向，易造成换向前后各熔滴之间热输入高低不一致，进而导致前后两熔滴尺寸不同，造成两熔滴之间融合不连续。
现有技术虽然有公开在一个熔滴过渡周期内进行换相的技术方案，但是大多是在缩颈阶段，通过检测短路上升率是否达到设定阈值进行换相；然而，对于短路上升率的检测很容易产生误判，一旦因为误判而产生换相错误的话，可能会导致熔池飞溅量暴增，甚至熔池爆炸，后果非常严重。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于交流波形控制的焊接控制方法及系统，可以在燃弧阶段实现燃弧阶段换向，同时能智能计算换向时间来直接调控热输入大小及焊缝成形，保证前后熔滴大小尺寸均匀一致，过渡的熔滴之间熔合良好。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于交流波形控制的焊接控制方法，包括：
在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；通过设定所述负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控所述过渡周期内焊接过程中的热输入。
作为进一步地方案，还包括在短路阶段斩波、缩颈斩波和换相阶段斩波的过程，能够避免熔滴飞溅。
具体地，当检测到熔滴接触到熔池时，进入短路阶段，斩波的同时进行换相；
或者，先经过设定时间段的斩波，然后进行换相。
当检测到短路上升率达到设定阈值时，熔滴过渡至缩颈，此时对控制电流进行斩波。
当负半波的正接阶段过渡到正半波的反接阶段时，对控制电流进行斩波；所述对控制电流进行斩波包括：大电流直接斩波换相，或者先衰减到小电流再进行斩波换相。
控制每一个熔滴过渡周期内的负半波的正接阶段持续时间相同，正半波的反接阶段持续时间相同，能够使得各熔滴过渡的热输入一致。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种基于交流波形控制的焊接控制系统，包括：控制单元，所述控制单元控制实现如下过程：
在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；通过设定所述负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控所述过渡周期内焊接过程中的热输入。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种交流焊机，采用上述的基于交流波形控制的焊接控制方法，实现对焊接电流的控制。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行上述的基于交流波形控制的焊接控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明在实现交流气保焊工艺燃弧阶段换向技术的基础上，通过智能分配燃弧阶段正、负半波的换向时间来控制换向前后的燃弧能量，实现了在一个熔滴过渡周期内的换向工作，保证了各过渡周期热输入量高低的一致性。其中，燃弧阶段负半波的燃弧能量主要用来熔化焊丝，降低焊接热输入，正半波的燃弧能量来调节焊接熔滴大小、电弧尺寸，可实现低热输入的同时保证各熔滴过渡的热输入一致，进而保证了各熔滴尺寸的均匀性，实现前后过渡的熔滴之间熔合良好，保证低热输入下的优良焊缝成形，进而达到提升薄板的焊接质量和生产效率的目的。
(2)本发明焊接控制方法所涉及的焊接波形是由短路阶段和燃弧阶段组成，其中短路阶段为正接，燃弧阶段分为负半波的正接阶段和正半波的反接阶段，且短路燃至燃弧换向时间、燃弧阶段换向时间可控，并在短路、缩颈以及燃弧阶段换向时间先进行斩波至低电流(5-150A)，降低飞溅的AC波形。
(3)本发明方法能够实现3mm以下薄板连接的优质焊接，适用于焊丝直径在0.8-2.0mm范围内，以惰性气体/活性气体为保护气、或者药芯/药剂保护无保护气的，焊材为碳钢/不锈钢/铝合金/铜等金属的，熔滴过渡为短路过渡、过渡周期内燃弧阶段正、负半波极性的换向时间可调节的焊接场景。
本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例中的焊接系统结构示意图；
图2为本发明实施例中一个熔滴过渡周期内的焊接过程示意图；
图3为本发明实施例中一个熔滴过渡周期内的焊接控制波形示意图；
图4为本发明实施例方法的焊接效果图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
图1给出了焊接系统结构示意图，主要包括：保护气瓶、焊枪、送丝机构、以及交流焊接电源；其中，交流焊接电源用于将网侧输入转换为可控的电压、电流输出；保护气瓶为焊接系统提供焊接过程中所需的气体氛围，如惰性气体/活性气体等气体氛围；保护气瓶输出的气体连接至焊枪为焊接操作提供气体保护；送丝机构连接焊枪，为焊接系统提供焊接所需的碳钢/不锈钢/铝合金/铜等金属的药芯/药剂保护无保护气的填充金属。
为了保证前后熔滴大小尺寸均匀一致，同时防止飞溅，在一个或多个实施方式中，公开了一种基于交流波形控制的焊接控制方法，具体包括：在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；
其中，燃弧阶段负半波电流的作用是提供更大的燃弧空间、产生更大尺寸的熔滴以及低的热输入；燃弧阶段正半波的作用是稳定熔滴运动状态，保证熔滴尺寸的一致性及优化熔池尺寸的大小，进而保证焊缝成形优质、美观。本实施例通过设定负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控该过渡周期内焊接过程中的热输入，进而能够保证前后熔滴大小尺寸均匀一致，过渡的熔滴之间熔合良好。
需要说明的是，一个熔滴的过渡周期，指的是在电弧热作用下，焊丝或焊条端部的熔化金属形成熔滴，受到各种力的作用从焊丝端部脱离并过渡到熔池的全过程。
另外需要说明的是，正接指的是工件接正极，焊丝接负极；反接指的是工件接负极，焊丝接正极。
本实施例在短路阶段进行换相，短路阶段可通过检测熔滴是否接触到熔池来判断是否进行换相；对于熔滴是否接触到熔池的判断可以通过多种方式，且判断结果较为准确，不易产生误判，能够保证换相的正确性，提高换相的容错率。
作为一种可选的实施方式，在短路、缩颈以及燃弧阶段换向时间先进行斩波至低电流(5-150A)，这样能够保证焊接过程中熔滴能够无飞溅脱离。
具体地，在一个熔滴的过渡周期内，当检测到熔滴接触到熔池时，进入短路阶段，斩波的同时进行换相(此种方式适用于基值电流较小的情况)；或者，先经过设定时间段的斩波，然后进行换相(此种方式适用于基值电流较大的情况)，经过一段时间的斩波调整再进行换相，也可以进一步提高换相的容错率。
当检测到短路上升率达到设定阈值时，熔滴过渡至缩颈，此时对控制电流进行斩波。当从负半波的正接阶段过渡到正半波的反接阶段时，并对控制电流进行斩波。
图3给出了本实施例熔滴过渡周期内的焊接控制波形示意图，下面结合图2和图3，对本实施例的焊接控制过程进行说明：
(1)t0-t1阶段-基值燃弧阶段：
交流焊接电源保证在一定电流水平下，本实施例中，基值电流设定范围在5-250A，维持电极与工件之间电弧，形成熔滴。
(2)t1-t4阶段-熔滴短路阶段：
焊机主控板程序检测到熔滴接触到熔池，波形开始进入到短路阶段，先进行斩波，启动换向稳弧，并在程序中设定的短路换向时间ta后进行电极、工件之间的极性转变，其中，短路换向时间ta值设定范围t1≤ta≤t2，当ta＝t1时，表示在斩波的同时进行换相(适用于基值电流较小的情况)；换相时，对控制电流进行斩波控制；
如图3中t1-t2阶段的虚线所示，也可以先进行设定时间段的斩波，然后再进行换相，这样也可以进一步提高换相的容错率；具体的斩波时间可以根据需要设定。
随着短路阶段的进行，t2-t3短路电流上升率(0-2A/us)提供电磁力，使得熔滴在自身重力、表面张力以及电磁力的共同作用下过渡至缩颈，此时程序检测熔滴和焊丝之间缩颈进行缩颈斩波，熔滴和焊丝脱离，无飞溅。
(3)t4-t5阶段-负半波燃弧阶段：
检测熔滴过渡完成，焊接进入燃弧起始阶段，此时工件为正、焊丝端为负，重新燃弧，该负半波燃弧阶段产生阳离子流的方向，也就是产生的推力的方向是由工件指向焊丝的，该峰值电流产生的热输入主要作用在焊丝端进行熔化焊丝，在正离子的托举作用下，熔滴为左右方向的椭球形，在此作用下产生更大体积的熔滴和燃弧空间，且落在母材上的热输入相对更低，熔融母材产生的熔池窄且高。其中，该阶段持续时间(0.01-30ms)为燃弧阶段换向时间值的设定值；负半波燃弧峰值(50-400A)越高燃弧阶段换向时提供的稳弧电压越高，更能有效的保证燃弧阶段换向时不会出现断弧问题。
(4)t5-t7阶段-正半波燃弧阶段：
程序中设定的燃弧阶段换向时间到达后，进行斩波，而后电极、工件之间的极性转变，工件为负、焊丝端为正，燃弧波形由负半波转为正半波，燃弧阶段换向后燃弧电流产生的阳离子的方向变为由焊丝指向工件。其中，正半波燃弧峰值(50-400A)及持续时间(0.01-30ms)对熔池大小进行修正。至燃弧后期，稳弧在一定电流水平(5-250A)下，维持电极与工件之间电弧，熔滴状态由之前的椭球状逐渐向球形转变，随后重复进入下个熔滴过渡周期。
作为一种较为具体的实施方式，本实施例基于交流波形控制的焊接控制方法具体如下：
在反接电流维弧作用下产生的熔滴与熔池接触的瞬间，反接燃弧基值电流由40A降至20A，设定短路燃弧换相时间为0，此时电流换向为正接，焊接进入到短路阶段，此时控制正接电流20A持续0.5ms，熔滴在小电流下通过重力、表面张力的作用下开始过渡，控制短路上升率为0.5A/us，检测熔滴和熔池之间缩颈后进行缩颈斩波，两者无飞溅脱离。检测脱离完成后，同向重新燃弧，进入燃弧-负半波阶段，此阶段燃弧峰值能量设置250A/1.5ms，产生的熔滴在阳离子流的冲击作用下为左右方向的椭球形，此时燃弧的空间大，熔滴形状不规则；燃弧-负半波阶段持续时间为燃弧阶段换向时间2ms，电流降低至80A，此时通过斩波进行燃弧换向，换向前电流小，换向音爆小，焊接体验感良好，进入到燃弧-正半波阶段后，此阶段燃弧峰值200A/0.5ms，电弧指向熔池，在阳离子流的作用下，熔池铺展，焊缝宽度增加，随后在电流基值40A水平下，维持电极与工件之间电弧，熔滴由椭球状向球形转变，随后进入到下一个熔滴过渡。
图4给出了采用上述焊接控制方法的焊接效果图，可以看出，薄板焊接过程中，熔滴过渡的一致性得到了很好的提升，并实现了热输入的降低且可控，形成的焊缝成形、连续性及一致性优良。
作为又一种较为具体的实施方式，本实施例基于交流波形控制的焊接控制方法具体如下：
在反接电流维弧作用下产生的熔滴与熔池接触的瞬间，反接燃弧基值电流由120A降至20A，设定短路燃弧换相时间为0.2ms，此时电流维持0.2ms后换向为正接，焊接进入到短路阶段，此时控制正接电流20A持续0.8ms，熔滴在小电流下通过重力、表面张力的作用下开始过渡，控制短路上升率为1A/us，程序检测熔滴和熔池之间缩颈后进行缩颈斩波，两者无飞溅脱离。检测脱离完成后，同向重新燃弧，进入燃弧-负半波阶段，此阶段燃弧峰值能量设置400A/1ms，产生的熔滴在阳离子流的冲击作用下为左右方向的椭球形，此时燃弧的空间大，熔滴形状不规则；燃弧-负半波阶段持续时间为燃弧阶段换向时间1ms，电流维持400A，此时通过斩波进行大电流情况下的燃弧换向，进入到燃弧-正半波阶段后，此阶段燃弧峰值1000A/0.5ms，电弧指向熔池，在阳离子流的作用下，熔池铺展，焊缝宽度增加，随后在电流基值120A水平下，维持电极与工件之间电弧，熔滴由椭球状向球形转变，随后进入到下一个熔滴过渡。
作为再一种较为具体的实施方式，本实施例基于交流波形控制的焊接控制方法具体如下：
在反接电流维弧作用下产生的熔滴与熔池接触的瞬间，反接燃弧基值电流由80A降至10A，设定短路燃弧换相时间为1ms，此时电流维持1ms后换向为正接，焊接进入到短路阶段，此时控制正接电流10A持续1ms，熔滴在小电流下通过重力、表面张力的作用下开始过渡，控制短路上升率为2A/us，程序检测熔滴和熔池之间缩颈后进行缩颈斩波，两者无飞溅脱离。检测脱离完成后，同向重新燃弧，进入燃弧-负半波阶段，此阶段燃弧峰值能量设置150A/3ms，产生的熔滴在阳离子流的冲击作用下为左右方向的椭球形，此时燃弧的空间大，熔滴形状不规则；燃弧-负半波阶段持续时间为燃弧阶段换向时间4ms，电流降低至10A，此时通过斩波进行燃弧换向，换向前电流小，换向音爆小，焊接体验感良好，进入到燃弧-正半波阶段后，此阶段燃弧峰值80A/5ms，电弧指向熔池，在阳离子流的作用下，熔池铺展，焊缝宽度增加，随后在电流基值80A水平下，维持电极与工件之间电弧，熔滴由椭球状向球形转变，随后进入到下一个熔滴过渡。
本实施例的焊接控制方法能够实现焊丝直径在0.8-2.0mm范围内，以惰性气体/活性气体为保护气、或者药芯/药剂保护无保护气的，焊材为碳钢/不锈钢/铝合金/铜等金属的3mm以下薄板连接的有效焊接；
在一个熔滴过渡周期内，燃弧阶段正、负半波极性的换向时间可设定可调节，通过控制每一个熔滴过渡周期内的负半波的正接阶段持续时间相同，正半波的反接阶段持续时间相同，能够使得各熔滴过渡的热输入一致，进而保证前后熔滴大小尺寸均匀一致，过渡的熔滴之间熔合良好，实现薄板的优质连接。
本实施例通过在短路、缩颈以及燃弧阶段换向时间对控制电流进行斩波控制，能够保证焊接过程熔滴无飞溅。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种基于交流波形控制的焊接控制系统，具体包括：控制单元，所述控制单元控制实现如下过程：
在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；通过设定所述负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控所述过渡周期内焊接过程中的热输入。
作为进一步地方案，在一个熔滴的过渡周期内，当检测到熔滴接触到熔池时，进入短路阶段，斩波的同时进行换相(此种方式适用于基值电流较小的情况)；或者，先经过设定时间段的斩波，然后进行换相(此种方式适用于基值电流较大的情况)。当检测到短路上升率达到设定阈值时，熔滴过渡至缩颈，此时对控制电流进行斩波。当从负半波的正接阶段过渡到正半波的反接阶段时，并对控制电流进行斩波。
需要说明的是，上述过程的具体实现方式及其技术效果已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种交流焊机，其采用实施例一中所述的基于交流波形控制的焊接控制方法，实现对焊接电流的控制。
在另一些实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行实施例一中所述的基于交流波形控制的焊接控制方法。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种基于交流波形控制的焊接控制方法，其特征在于，包括：
在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；通过设定所述负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控所述过渡周期内焊接过程中的热输入。
2.如权利要求1所述的一种基于交流波形控制的焊接控制方法，其特征在于，还包括：当检测到熔滴接触到熔池时，进入短路阶段，斩波的同时进行换相；
或者，先经过设定时间段的斩波，然后进行换相。
3.如权利要求1所述的一种基于交流波形控制的焊接控制方法，其特征在于，还包括：当检测到短路上升率达到设定阈值时，熔滴过渡至缩颈，此时对控制电流进行斩波。
4.如权利要求1所述的一种基于交流波形控制的焊接控制方法，其特征在于，当负半波的正接阶段过渡到正半波的反接阶段时，对控制电流进行斩波；
所述对控制电流进行斩波包括：大电流直接斩波换相，或者先衰减到小电流再进行斩波换相。
5.如权利要求1所述的一种基于交流波形控制的焊接控制方法，其特征在于，所述负半波的正接阶段持续时间为0.01-30ms；所述正半波的反接阶段持续时间为0.01-30ms。
6.如权利要求1所述的一种基于交流波形控制的焊接控制方法，其特征在于，控制每一个熔滴过渡周期内的负半波的正接阶段持续时间相同，正半波的反接阶段持续时间相同，能够使得各熔滴过渡的热输入一致。
7.一种基于交流波形控制的焊接控制系统，其特征在于，包括：控制单元，所述控制单元控制实现如下过程：
在一个熔滴的过渡周期内，焊接过程包括反接电流维弧阶段、正接的短路阶段和燃弧阶段，其中，燃弧阶段包括负半波的正接阶段和正半波的反接阶段；通过设定所述负半波的正接阶段和正半波的反接阶段所持续的时间，调控所述过渡周期内焊接过程中的热输入。
8.一种交流焊机，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的基于交流波形控制的焊接控制方法，实现对焊接电流的控制。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，当所述计算机可读指令被计算机的处理器执行时，使计算机执行权利要求1-6中任一项所述的基于交流波形控制的焊接控制方法。
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|---|---|---|---|
| CN202211033505.9A CN115464238A (zh) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 一种基于交流波形控制的焊接控制方法及系统 |
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| CN202211033505.9A CN115464238A (zh) | 2022-08-26 | 2022-08-26 | 一种基于交流波形控制的焊接控制方法及系统 |
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| CN115464238A true CN115464238A (zh) | 2022-12-13 |
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| CN (1) | CN115464238A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114406403A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-29 | 南京理工大学 | 一种稳定高氮钢双丝cmt焊接熔滴过渡的方法 |
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2022
- 2022-08-26 CN CN202211033505.9A patent/CN115464238A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114406403A (zh) * | 2021-12-20 | 2022-04-29 | 南京理工大学 | 一种稳定高氮钢双丝cmt焊接熔滴过渡的方法 |
| CN114406403B (zh) * | 2021-12-20 | 2023-10-13 | 南京理工大学 | 一种稳定高氮钢双丝cmt焊接熔滴过渡的方法 |
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