CN116140771A - 一种考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，包括装夹、闪平阶段、预热阶段、连续闪光阶段、顶锻阶段和复位阶段。在闪平阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次闪平的时间和闪平次数，确保在最短时间、最少材料和能源消耗的条件下完成闪平。在预热阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次预热冷却时间和预热次数，提高加热的效率和质量，缩短预热阶段消耗。在连续闪光阶段，根据焊接电流在该阶段首次大于门限电流时动‑静夹具的距离确定连续闪光起点。在顶锻阶段，根据焊口温度场控制无电顶锻时间，在保证焊缝强度的前提下缩短顶锻保持时长，具有提高焊接效率的优势。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工技术，尤其涉及一种根据焊口温度场变化控制预热闪光对焊的方法。
背景技术
随着科学技术的发展，闪光对焊技术的应用日益广泛，对焊缝的强度、焊接效率与能耗的要求也越来越高。获得优质焊缝的关键是在顶锻前的连续闪光过程中在焊口附近建立一致的温度场，但由于焊件初始温度及电网电压的波动、焊件对齐角度偏差等随机因素的影响，使得在焊口附近建立稳定一致的温度场变得异常困难或需要耗费较长的时间及较多的材料与能量。
中国专利202111432144.0公开了一种短路预热的闪光焊接方法，在闪平阶段中通过闪光爆破使得钢轨待焊截面平整、清洁；短路预热阶段通过设定循环接触和分开的预定次数、接触时间、分开时间、施加电压等参数将钢轨的端面加热到足够的温度。该方法在闪平阶段通过闪光爆破对于不同平整程度和倾斜角度的焊件，容易造成材料消耗和能源消耗；预热阶段没有考虑实际的工况，如焊件初始温度不同及焊接电压的变化造成的焊接质量波动、焊接过程不稳定的问题，容易导致加热过度从而造成材料烧损。
中国专利202110450016.2公开了一种闪光焊接方法，在顶锻之后的保压冷却步骤中通过保持顶紧力，以而完成接合区热塑性金属的相变过程，获得固态焊接接头。该方法在顶锻阶段无法根据实际焊件的冷却过程准确控制顶锻保持时长，易造成时间浪费、焊接效率不高等问题。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种根据焊口温度场的变化动态调整控制预热闪光对焊的方法。
技术方案：本发明所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，包括装夹、闪平阶段、预热阶段、连续闪光阶段、顶锻阶段和复位阶段，其中，在闪平阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次闪平的时间和闪平次数；在预热阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次预热冷却时间和预热次数；在连续闪光阶段，根据焊接电流在该阶段首次大于门限电流时动-静夹具的距离确定连续闪光起点；在顶锻阶段，根据焊口温度场控制无电顶锻时间。
进一步的，所述闪平阶段包括如下步骤：
(2.1)电极通电；
(2.2)动夹具以v1的速度前进闪平，直至It＞I门限，动夹具停止，停止闪平；
(2.3)测量提取焊口温度场数据形成矩阵
遍历矩阵T0提取最高温度tij，该最高温度tij位于T0的第i行第j列，统计T0第j列向量中数值大于闪平最低温度Tc1的元素数量N1；
(2.4)若
控制动夹具以-v1的速度后退至It＜I门限停止，返回(2.2)；
若
遍历T0第j列向量{t0j,…,tmj}，提取向量{taj,t(a+1)j…t(b-1)j,tbj}，该向量即焊件上最高温度点所在端面测量温度数据，其中，W为温度场宽度；D为焊件宽度，η1为闪平系数，taj为第一个大于等于闪平最低温度Tc1的元素，tbj为最后一个大于等于Tc1的元素，a和b为常数，0≤a≤b≤m；
(2.5)闪平阶段结束。
进一步的，所述预热阶段包括如下步骤：
(3.1)开始加热：动夹具以v2的速度前进，直至It＞I门限，继续以v2的速度前进预热压缩量Δp后停止，焊件端面紧密接触加热；
(3.2)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T1，构建向量{t'aj,t('a+1)j…t'(b-1)j,t'bj}；
(3.3)若
维持加热，返回(3.2)；若/>
停止加热，动夹具以-v2的速度后退，直至It＜I门限动夹具停止，焊件冷却；其中，Tc2为加热最高温度；
(3.4)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T2，构建向量{t'a'j,t(”a+1)j…t'('b-1)j,t'b'j}；
(3.5)若
令j加一，返回(3.4)；
若
则向量{t'a'j,t(”a+1)j…t'('b-1)j,t'b'j}为焊件上平均测量温度最低的向量；其中，Tc3为焊件最低温度；
(3.6)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T3，构建向量
(3.7)若
返回(3.6)；若/>
本次冷却结束；其中，Tc4为冷却最低温度；
(3.8)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T4，构建向量
其中，/>
La为烧化长度，Lb为顶锻长度；若/>
且
则预热完成；反之则返回(3.1)。
进一步的，所述连续闪光阶段包括如下步骤：
(4.1)判断连续闪光起点：动夹具以v4的速度前进，直至It＞I门限时，动夹具停止，确定连续闪光起点，此时令连续闪光开始时动-静夹具距离l1＝l，l为动-静夹具当前距离；
(4.2)再次测量焊接电流It，当It＞I门限时，动夹具以
的速度后退，直至It≤I门限；当It≤I门限时，动夹具以/>
的速度前进连续闪光，直至It＞I门限；其中，La为烧化长度，η2为动态连续闪光长度系数，v3为定值，是自定义的闪光阶段最低速度；
(4.3)判断连续闪光距离，若l＞l1-η2La，则返回(4.2)；
若l≤l1-η2La，动夹具以v4的速度做匀速进给运动，直至l≤l1-La，动夹具停止，连续闪光阶段结束。
进一步的，所述顶锻阶段包括如下步骤：
(5.1)令t＝0，顶锻开始时动-静夹具初始的距离l2＝l，l为动-静夹具当前距离；
(5.2)动夹具以v5速度前进，进行带电顶锻，直至满足带电顶锻时间要求：t≥t0；其中t0为带电顶锻时间；
(5.3)切断焊机电流，开始无电顶锻；
(5.4)动夹具以v5的顶锻速度前进至l2-Lb处后停止，动夹具维持在l2-Lb处不动，测量提取焊口温度场数据形成矩阵T5，提取最高温度
其中，Lb为顶锻长度；
(5.5)若
顶锻结束，否则返回(5.4)；其中，Tc6为顶锻阶段冷却最低温度。
进一步的，所述复位阶段包括如下步骤：
(6.1)动夹具、静夹具松开；
(6.2)动夹具退回至初始位置，焊接过程结束。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：1、在闪平阶段，能够实时获取焊口的真实闪平进程，对于不同平整程度和倾斜角度的焊件，均能确保在最短时间、最少材料和能源消耗的条件下完成闪平；2、在预热阶段，通过实时获取焊口附近的温度分布，动态调整每次加热及冷却的时间，有效的提高了加热的效率，避免了因加热过度导致的材料烧损；并根据焊口两侧温度分布的变化动态的调整每次焊接时的加热次数以获得具有理想温度分布的焊口，从而为连续闪光阶段提供了良好的基础，避免了因焊件初始温度不同及焊接电压的变化造成的焊接质量波动、焊接过程不稳定等问题，也能够进一步的缩短预热阶段消耗的时间和能源；3、在顶锻阶段，能够实时获取焊缝附近的温度变化，从而在保证焊缝强度的前提下缩短顶锻保持时长，具有提高焊接效率的优势。
附图说明
图1为本发明的闪平阶段的流程图；
图2为本发明的预热阶段的流程图；
图3为本发明的连续闪光和顶锻阶段的流程图；
图4为闪光对焊机的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，包括装夹、闪平阶段、预热阶段、连续闪光阶段、顶锻阶段和复位阶段，其中，在闪平阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次闪平的时间和闪平次数；在预热阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次预热冷却时间和预热次数；在连续闪光阶段，根据焊接电流在该阶段首次大于门限电流时动-静夹具的距离确定连续闪光起点；在顶锻阶段，根据焊口温度场控制无电顶锻时间。
参数设定：焊口附近的温度场T；温度场长度L＝300mm；温度场宽度W＝200mm；焊件宽度D＝80mm。
步骤一，装夹：将成对焊件分别夹持在相距l0＝85mm的动夹具与静夹具内，并对焊接过程中动-静夹具当前距离l、焊接电流It进行实时监测。
步骤二，闪平：
闪平参数设定：闪平速度v1＝1mm/s；门限电流I门限＝450A；闪平最低温度Tc1＝1300℃；闪平系数η1＝0.9。
(2.1)电极通电；
(2.2)动夹具以v1(1mm/s)的速度前进闪平，直至It＞I门限(450A)，动夹具停止，停止闪平；
(2.3)测量提取焊口附近的温度场数据形成(m+1)*(n+1)矩阵
遍历矩阵T0提取最高温度tij，该最高温度位于T0的第i行第j列，统计T0第j列向量中数值大于闪平最低温度Tc1(1300℃)的元素数量N1；
(2.4)若
控制动夹具以-v1(-1mm/s)的速度后退至It＜I门限(450A)停止，返回(2.2)；
若
遍历T0第j列向量{t0j,…,tmj}，提取向量{taj,t(a+1)j…t(b-1)j,tbj},该向量即焊件上最高温度点所在端面测量温度数据，其中，taj为第一个大于等于闪平最低温度Tc1的元素，tbj为最后一个大于等于Tc1的元素，a和b为常数，0≤a≤b≤m；
(2.5)闪平阶段结束。
步骤三，预热：
预热参数设定:预热速度v2＝6mm/s；预热压缩量Δp＝0.2mm；加热最高温度Tc2＝1500℃；焊件最低温度Tc3＝1200℃；冷却最低温度Tc4＝1450℃；预热完成最低温度Tc5＝1400℃；烧化长度La＝10mm；顶锻长度Lb＝15mm。
(3.1)开始加热：动夹具以v2(6mm/s)的速度做进给运动，直至It＞I门限(450A)，继续以v2(6mm/s)的速度前进Δp(0.2mm)后停下，焊件端面紧密接触加热；
(3.2)测量提取焊口附近的温度场数据形成矩阵T1，构建向量{t'aj,t′(a+1)j…t'(b-1)j,t'bj}；
(3.3)若
维持加热，返回(3.2)；
若
停止加热，动夹具以-v2(-6mm/s)的速度后退，直至It＜I门限(450A)动夹具停止，焊件冷却；
(3.4)测量提取焊口附近的温度场数据形成矩阵T2，构建向量{t″aj,t″(a+1)j…t″(b-1)j,t″bj}；
(3.5)若
令j加一，返回(3.4)；
若
则向量{t″aj,t″(a+1)j…t″(b-1)j,t″bj}为焊件上平均测量温度最低的向量；
(3.6)测量提取焊口附近的温度场数据形成矩阵T3，构建向量
(3.7)若
返回(3.6)；
若
本次冷却完成；
(3.8)测量提取焊口附近的温度场数据形成矩阵T4，构建向量
其中，
若/>
且/>
预热完成，反之返回(3.1)。
步骤四，连续闪光：
闪光参数设定：动态连续闪光长度系数η2＝0.8；闪光开始时动-静夹具初始的距离l1；闪光初速度v3＝0.6mm/s；闪光末速度v4＝2mm/s。
(4.1)判断连续闪光起点：动夹具以v4(2mm/s)的速度做进给运动，直至It＞I门限(450A)，动夹具停止，确定闪光起点，此时令连续闪光开始时动-静夹具距离l1＝l；
(4.2)再次测量焊接电流It，当It＞I门限(450A)时，动夹具以
的速度后退，直至It≤I门限(450A)；当It≤I门限(450A)时，动夹具以
的速度前进连续闪光，直至It＞I门限(450A)；
(4.3)判断连续闪光距离，若l＞(l1-8)mm，则返回(4.2)；
若l≤(l1-8)mm，动夹具以v4(2mm/s)的速度做匀速进给运动，直至l≤l1-10mm，动夹具停止，连续闪光阶段结束。
步骤五，顶锻：
顶锻参数设定：顶锻开始时动-静夹具初始的距离l2；带电顶锻时间t0＝0.1s；顶锻速度v5＝40mm/s；顶锻阶段冷却最低温度Tc6＝600℃。
(5.1)令t＝0，顶锻开始时动-静夹具初始的距离l2＝l；
(5.2)动夹具以v5(40mm/s)的顶锻速度前进，进行带电顶锻，直至满足带电顶锻时间要求：t≥t0(0.1s)；
(5.3)切断焊机电流，开始无电顶锻；
(5.4)动夹具以v5(40mm/s)的顶锻速度前进至(l2-15)mm处后停止，动夹具维持在(l2-15)mm处不动，测量提取焊口温度场数据形成矩阵T5，提取最高温度tij；
(5.5)若
顶锻结束，否则返回(5.4)。
步骤六：复位：
(6.1)动、静夹具松开；
(6.2)动夹具退回至初始距离l0(85mm)处，焊接过程结束。
Claims (6)
1.一种考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，其特征在于，包括装夹、闪平阶段、预热阶段、连续闪光阶段、顶锻阶段和复位阶段，其中，在闪平阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次闪平的时间和闪平次数；在预热阶段，根据焊接电流It与门限电流I门限关系和焊口温度场控制单次预热冷却时间和预热次数；在连续闪光阶段，根据焊接电流在该阶段首次大于门限电流时动-静夹具的距离确定连续闪光起点；在顶锻阶段，根据焊口温度场控制无电顶锻时间。
2.根据权利要求1所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，其特征在于，所述闪平阶段包括如下步骤：
(2.1)电极通电；
(2.2)动夹具以v1的速度前进闪平，直至It＞I门限，动夹具停止，停止闪平；
(2.3)测量提取焊口温度场数据形成矩阵
遍历矩阵T0提取最高温度tij，该最高温度tij位于T0的第i行第j列，统计T0第j列向量中数值大于闪平最低温度Tc1的元素数量N1；
(2.4)若
控制动夹具以-v1的速度后退至It＜I门限停止，返回(2.2)；
若
遍历T0第j列向量{t0j,…,tmj}，提取向量{taj,t(a+1)j…t(b-1)j,tbj}，其中，W为温度场宽度；D为焊件宽度，η1为闪平系数，taj为第一个大于等于闪平最低温度Tc1的元素，tbj为最后一个大于等于Tc1的元素，a和b为常数，0≤a≤b≤m；
(2.5)闪平阶段结束。
3.根据权利要求2所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，其特征在于，所述预热阶段包括如下步骤：
(3.1)开始加热：动夹具以v2的速度前进，直至It＞I门限，继续以v2的速度前进预热压缩量Δp后停止，焊件端面紧密接触加热；
(3.2)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T1，构建向量{t'aj,t('a+1)j…t'(b-1)j,t'bj}；
(3.3)若
其中，Tc2为加热最高温度；维持加热，返回(3.2)；若
停止加热，动夹具以-v2的速度后退，直至It＜I门限动夹具停止，焊件冷却；
(3.4)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T2，构建向量{t'a'j,t(”a+1)j…t'('b-1)j,t'b'j}；
(3.5)若
令j加一，返回(3.4)；/>
若
则向量{t'a'j,t(”a+1)j…t'('b-1)j,t'b'j}为焊件上平均测量温度最低的向量；其中，Tc3为焊件最低温度；
(3.6)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T3，构建向量
(3.7)若
返回(3.6)；若/>
本次冷却结束；其中，Tc4为冷却最低温度；
(3.8)测量提取焊口温度场数据形成矩阵T4，构建向量
其中，
La为烧化长度，Lb为顶锻长度；若/>
且
则预热完成；反之则返回(3.1)。
4.根据权利要求1所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，其特征在于，所述连续闪光阶段包括如下步骤：
(4.1)判断连续闪光起点：动夹具以v4的速度前进，直至It＞I门限时，动夹具停止，确定连续闪光起点，此时令连续闪光开始时动-静夹具距离l1＝l，l为动-静夹具当前距离；
(4.2)再次测量焊接电流It，当It＞I门限时，动夹具以
的速度后退，直至It≤I门限；当It≤I门限时，动夹具以/>
的速度前进连续闪光，直至It＞I门限；其中，La为烧化长度，η2为动态连续闪光长度系数，v3为自定义闪光阶段最低速度，是定值；
(4.3)判断连续闪光距离，若l＞l1-η2La，则返回(4.2)；
若l≤l1-η2La，动夹具以v4的速度做匀速进给运动，直至l≤l1-La，动夹具停止，连续闪光阶段结束。
5.根据权利要求1所述所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，其特征在于，所述顶锻阶段包括如下步骤：
(5.1)令t＝0，顶锻开始时动-静夹具初始的距离l2＝l，l为动-静夹具当前距离；
(5.2)动夹具以v5速度前进，进行带电顶锻，直至满足带电顶锻时间要求：t≥t0；其中t0为带电顶锻时间；
(5.3)切断焊机电流，开始无电顶锻；
(5.4)动夹具以v5的顶锻速度前进至l2-Lb处后停止，动夹具维持在l2-Lb处不动，测量提取焊口温度场数据形成矩阵T5，提取最高温度
其中，Lb为顶锻长度；
(5.5)若
顶锻结束，否则返回(5.4)；其中，Tc6为顶锻阶段冷却最低温度。
6.根据权利要求1所述所述考虑焊口温度场变化的智能预热闪光对焊方法，其特征在于，所述复位阶段包括如下步骤：
(6.1)动夹具、静夹具松开；
(6.2)动夹具退回至初始位置，焊接过程结束。
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