CN1672852A - 恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明的根据恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法，在边以预先给定的速度输送焊丝，边根据焊接电源的恒流特性(CC1)将预先设定的焊接电流(Iw1)通入电弧进行焊接，在该方法中，检测母材·焊丝间的焊接电压，将该焊接电压检测值移动平均，算出该焊接电压移动平均值，按照所述焊接电压检测值与所述焊接电压移动平均值大致相等的方式，改变所述恒流特性(CC2)的所述焊接电流值(Iw2)。所以本发明可抑制由于输送速度的变化、供电芯片·母材间距离的变化等的干扰而使电弧长度改变，从而可得到良好的焊接质量。

Description

恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及在由恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接中，用于抑制由于干扰而使电弧的长度变化的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法。

背景技术

[现有技术1]

图7是表示在铝MIG焊接中焊丝的熔化特性L1和焊接电源的外部特性CP1之间的关系的图。该图的横轴表示在电弧上通电的焊接电流Iw，纵轴表示焊丝和母材之间的焊接电压Vw。熔化特性L1是将焊丝的输送速度设定为预先设定的定值，测定在使焊接电压Vw变化时的焊接电流Iw以及电弧长度La变化的特性。在Q1点电弧长度La＝2mm左右，在比该点更下方的熔化特性L1上的各点中熔滴过渡方式变为短路过渡方式。在Q2点电弧长度La＝6mm左右，在比该点更上方的熔化特性L1上的各点中熔滴过渡方式变为射流过渡方式。在Q1～Q2点之间的各点中液滴过渡方式变为亚射流过渡方式。在该亚射流过渡方式中，在边产生1ms以下的微小时间的短路，熔滴边进行射流过渡。考虑飞溅、焊缝(bead)外观、气孔等焊接质量在实用使用的电弧长度La的范围为2～5mm左右。因此，在实用使用的电弧长度La的范围中，熔滴过渡方式变为亚射流过渡方式。

可是，电弧长度La由焊丝的输送速度和熔化速度之间的平衡决定。熔化速度依赖于焊接电流Iw。熔化特性L1由于输送速度恒定，故对各电弧长度以熔化速度和输送速度相等的方式设定焊接电流Iw的值。在熔化特性L1中，由于电弧长度L2＝6mm的Q2点的焊接电流值比电弧长度La＝2mm的Q1点的焊接电流值大，所以Q2点方每单位焊接电流值的熔化量(以下，称作比熔化量)变小。即在亚射流过渡方式中与电弧长度La成反比，比熔化量变小。由此，在焊接电流Iw为恒定值的情况下(使用恒流特性的焊接电源的情况)，如果由于输送速度的改变、供电芯片·母材间距离的改变等干扰而使电弧长度La瞬间变长，那么比熔化量变小，熔化速度变慢，因此将电弧长度La向变短的方向控制。反过来，在电弧长度La由于干扰变短的情况下，由于比熔化量变大，熔化速度变快，所以将电弧长度La向变长的方向控制。由此将复原电弧长度的变化的作用称作电弧固有的自控制作用。

一般在铝MIG焊接中使用恒压特性CP1的焊接电源。此时，如果设定输送速度那么就决定了熔化特性L1，如果设定了焊接电压Vw那么就决定了恒压特性CP1。将这两个特性的交点P1作为动作点。该P1点的电弧长度La＝4mm。在稳定电弧状态中动作点停止在P1点，电弧长度La维持为4mm。在该状态中如果由于干扰而使电弧长度La瞬间变长，那么将动作点瞬间移动到恒压特性CP1上的P2点上。其结果，焊接电流值Iw变小，熔化速度变慢，因此将电弧长度La向变短方向复原。将该作用与上述的电弧固有的自控制作用相区别，称作外部特性的自控制作用。通常为了抑制由于干扰而使电弧长度La改变以得到良好的焊接质量，电弧固有的自控制作用由于在响应性上存在问题，故利用外部特性的自控制作用。由此，在铝MIG焊接中使用恒压特性的焊接电源。

如果决定了铝焊丝的材质、直径、保护气的种类等的焊接条件，设定了输送速度，那么就决定了熔化特性L1。由此，也可以按照成为期望的电弧长度La那样设定恒压特性CP1。但是，在铝MIG焊接中具有根据母材的氧化膜的状态而改变熔化特性L1的性质。图8是表示在已改变母材的氧化膜的状态时的熔化特性L1、L2的图。熔化特性L1与上述的图7的熔化特性L1相同。在MIG焊接中，在由电弧边除去母材的氧化膜(清洁作用)，边进行焊接。该氧化膜的清洁状态，根据母材表面的污损程度、母材的温度、保护气的保护状态等的变化会受到很大影响。而且氧化膜的清洁状态在焊接中也时刻在改变。

如果改变氧化膜的清洁状态，那么熔化特性从L1向L2变化。这是由于根据氧化膜的清洁状态的变化而改变电弧形状，改变熔化速度的缘故。在熔化特性为L1时为了设定电弧长度La＝4mm的期望值，将恒压特性设定为CP1，动作点为P1点。在该状态中，在熔化特性已变化为L2时为了将电弧长度La维持为5mm，需要将动作点移动到P3点。由此，需要将恒压特性从CP1改变设定为CP2。即在铝MIG焊接中，为了在每次改变氧化膜的清洁状态时将电弧长度维持为期望值，必须修正恒压特性的设定。如上所述，由于氧化膜的清洁状态在焊接中也在改变，所以恒压特性也需要在焊接中改变设定。由此，在焊接操作员边由目测确认由于氧化膜的清洁状态的改变而引起电弧长度的变化，边在现场由手动调节恒压特性。但是，在该方法中存在不能自动化操作，且不能将电弧长度准确地维持为期望值的问题。

[现有技术2]

以下，对解决上述问题的现有技术2进行说明。图9是对由图8所述的熔化特性L1、L2将纵轴从焊接电压Vw变为电弧长度La所绘制的熔化特性L3。该图中的熔化特性L3，即使氧化膜的清洁状态改变也不变化。这是由于根据焊接电流Iw决定熔化速度、根据熔化速度决定电弧长度的原理，即使氧化膜的清洁状态改变也不变化。在上述的图8中，由于根据焊接电压Vw控制电弧长度，所以如果氧化膜的清洁状态改变，电弧形状改变，那么对相同电弧长度焊接电压Vw的值改变，产生上述的问题。对此，在该图中由于根据焊接电流Iw控制电弧长度La，所以不受氧化膜的清洁状态的改变的影响。

在该图中，为了设定电弧长度La＝4mm的期望值，可将焊接电源的外部特性作为恒流特性CC1，将动作点作为P4点。由此即使氧化膜的清洁状态改变动作点P4也不变化，因此电弧长度La仍旧为期望值4mm。因此，解决了上述的现有技术1的问题(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：特许第2993174号公报。

在上述的现有技术2中，将由于输送速度的改变、供电芯片·母材间距离等的干扰而改变电弧长度La时的复原力作为上述的电弧固有的自控制作用。即在图9中，由于干扰使电弧长度La瞬间变长，将动作点移动到P5。即使在该动作点P5由于焊接电流值Iw为恒定值，所以如现有技术1那样外部特性的自控制作用不起作用。在这种情况下，如上所述，由于电弧长度La变长，比熔化量变小，所以相同焊接电流值Iw的熔化速度变慢，将电弧长度La向变短的方向上控制。但是，在该电弧固有的自控制作用中存在使电弧长度复原的过渡响应性变差的问题。根据现有技术1中的外部特性的自控制作用，使电弧长度复原的过渡响应性为20ms左右。与此相对，电弧固有的自控制作用的过渡响应特性为70ms，慢数倍之多。其结果，由于干扰存在使电弧长度La的改变幅度增大，焊接质量会变差顾虑。由此，在MIG焊接中从实用的角度几乎不使用恒流特性的焊接电源。

发明内容

在此，在本发明中提供一种在能够减小由于干扰使电弧长度改变的过渡响应性优良的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法。

为了解决上述课题，本发明的第1方案的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法，在将焊丝边以预先设定的速度输送，边根据焊接电源的恒流特性将预先设定的焊接电流通入电弧进行焊接，其特征在于，检测母材·焊丝间的焊接电压，将该焊接电压检测值移动平均，算出焊接电压移动平均值，以所述焊接电压检测值与所述焊接电压移动平均值大致相等的方式，改变根据所述恒流特性的所述焊接电流值。

此外，本发明的第2方案特征在于，根据本发明第1方案所记载的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法，所述熔化极气体保护电弧焊接是将峰值期间中的峰值电流的接通以及基值期间中的基值电流的接通作为脉冲周期重复进行的熔化极脉冲焊接，所述焊接电流值是每个所述脉冲周期的焊接电流的平均值，所述焊接电压值是每个所述脉冲周期的焊接电压平均值，使所述峰值期间或所述峰值电流或所述基值期间或所述基值电流中至少一个以上发生变化，使每个脉冲周期的焊接电流平均值变化。

(发明效果)

根据上述的本发明方案1，根据恒流特性进行熔化极气体保护电弧焊接，通过以焊接电压Vw和其移动平均值Vra大致相等的方式，使恒流特性变化，可使外部特性的自控制作用起作用。由此，能够迅速抑制由于干扰以及氧化膜的清洁状态的改变而使电弧长度变化，可得到良好的焊接质量。由此，恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接具有实用性。

根据上述发明的第2方案，在熔化极脉冲电弧焊接中可取得与上述相同的效果，能够提高在脉冲电弧焊接中的焊接质量。

附图说明：

图1是表示有关本发明的实施方式1的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法的熔化特性和恒流特性之间的关系图。

图2是有关本发明的实施方式1的焊接电源的框图。

图3是脉冲电弧焊接的电流·电压波形图。

图4是有关本发明的实施方式2的焊接电源的框图。

图5是为了说明本发明的效果而表示电弧长度复原时间的测定方法的图。

图6是表示根据图5的测定方法进行的现有技术和本发明的电弧长度复原时间的测定结果的图。

图7是在现有技术1中的熔化特性和恒流特性之间的关系图。

图8是表示在现有技术1中的课题的熔化特性和恒压特性的关系图。

图9是表示在现有技术2中的课题的熔化特性和恒流特性的关系图。

图中：1-焊丝；2-母材；3-电弧；4-焊枪；5-送丝辊；AD-加法电路；CC1～2-恒流特性；CP1～2-恒压特性；EI-电流误差放大电路；Ei-电流误差放大信号；EV-电压误差放大电路；Ib-基值电流；IBS-基值电流设定电路；Ibs-基值电流设定信号；ID-焊接电流检测电路；Id-焊接电流检测信号；Ip-峰值电流；IPS-峰值电流设定电路；Ips-峰值电流设定信号；IS-电流设定电路；Is-电流设定信号；Isc-电流控制设定信号；Iw-焊接电流；iw-焊接电流瞬时值；Iwa-脉冲周期焊接电流平均值(信号)；L1～3-熔化特性；La-电弧长度；MC-电源主电路；P1～6-动作点；SB-减法电路；SW-切换电路；Tb-基值期间；TBS-基值期间设定电路；Tbs-基值期间设定信号；Tbsc-基值期间控制设定信号；Tf-脉冲周期；TM-计时电路；Tm-计时信号；Tp-峰值期间；TPS-峰值期间设定电路；Tps-峰值期间设定信号；Vb-基值电压；VD-焊接电压检测电路；Vd-焊接电压检测信号；Vp-峰值电压；VRA-焊接电压移动平均值计算电路；Vra-焊接电压移动平均值(信号)；Vw-焊接电压；vw-焊接电压瞬时值；VWA-脉冲周期焊接电压平均值计算电路；Vwa-脉冲周期焊接电压平均值(信号)；ΔV-电压误差放大(值/信号)。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

本发明的实施方式1是下述的一种恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法：检测焊接电压，将该焊接电压检测值进行移动平均，计算出焊接电压移动平均值，按照上述的焊接电压检测值与上述的焊接电压移动平均值大致相等的方式，改变恒流特性的焊接电流值。

图1是用于说明有关本发明的实施方式1的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法的动作原理的熔化特性L3和恒流特性CC1、CC2之间的关系图。图中的横轴表示焊接电流Iw，纵轴表示电弧长度La。图中的熔化特性L3以及恒流特性CC1与上述的图9相同。下面参照该图进行说明。

首先，考虑不产生上述的干扰，且氧化膜的清洁状态也不变化的稳定电弧状态。如果设定输送速度那么熔化特性为L3。按照将电弧长度La成为期望值的4mm那样将恒流特性设定为CC1。动作点为两个特性的交点P4。在稳定电弧状态中动作点被固定在P4点，因此电弧长度La被维持为期望值。

在该稳定电弧状态中，如果产生干扰使电弧长度La瞬时变长，那么动作点从P4向P5移动。在本发明中，根据焊接电压Vw和焊接电压移动平均值Vra之间的电压误差放大值ΔV＝G·(Vra-Vw)改变根据恒流特性的焊接电流值Iw。在此G为放大率。即，Iw2＝Iw1+ΔV。焊接电流Iw1是恒电流特性CC1的电流值。如果由于干扰使电弧长度La变长，那么焊接电压Vw比焊接电压移动平均值Vra更大，上述的电压误差放大值ΔV＜0。其结果，作为Iw2＜Iw1的恒流特性变为CC2。与此对应动作点从P5向P6移动。如果动作点变为P6那么焊接电流减小，因此熔化速度变慢，将电弧长度La向变短方向控制。即由上述的电压误差放大值ΔV检测由于干扰而使电弧长度La的变化，使恒流特性变化，使外部特性的自控制作用发挥作用。如上所述，与电弧固有的自控制作用相比，根据外部特性的自控制作用方会使控制电弧长度的过渡响应性好，变化幅度变小。

接着在稳定状态中，如果氧化膜的清洁状态变化，那么焊接电压Vw就变化。但是，氧化膜的清洁状态的变化速度也比由上述干扰所引起变化速度缓慢。例如，干扰的变化速度为数ms～数十ms左右，另一方氧化膜的清洁状态的变化速度为数十ms～数百ms左右。在此，将用于算出焊接电压移动平均值Vra的移动平均期间设定为比干扰的变化速度长且比氧化膜的清洁状态的变化速度短。由此，在已产生氧化膜的清洁状态缓慢变化的情况下，作为Vw≈Vra的恒流特性仍旧为CC1，没有改变。由此即使氧化膜的清洁状态改变，电弧长度La也仍旧为期望值。另一方面，在已产生干扰时，如上所述将作为Va≠Vra的恒流特性瞬时从CC1变为CC2等，外部特性的自控制作用起作用。如果返回到稳定电弧状态，那么恒流特性返回到CC1。

图2是用于实施有关上述的实施方式1的恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法的焊接电源的框图。电压主电路MC将商业交流电源(3相200V等)作为输入，根据下面所述的电流误差放大信号Ei通过逆变器控制等进行输出控制，输出焊接电流Iw以及焊接电压Vw。焊丝1由焊丝输送装置的送丝辊5的旋转通过焊枪4内被输送，在与母材2之间产生电弧3。

焊接电压检测电路VD检测上述的焊接电压Vw，输出焊接电压检测信号Vd。焊接电压移动平均值计算电路VRA将上述的焊接电压检测信号Vd移动平均化，输出焊接电压移动平均值信号Vra。电压误差放大电路EV放大上述的焊接电压移动平均值信号Vra和上述的焊接电压检测信号Vd之间的误差，输出电压误差放大信号ΔV＝G·(Vra-Vd)。G为预先设定的放大率。电流设定电路IS输出预先设定的电流设定信号Is。加法电路AD进行上述的电流设定信号Is和上述的电压误差放大信号ΔV的加法，输出电流控制设定信号Isc＝Is+ΔV。电流检测电路ID检测上述的焊接电流Iw，输出焊接电流检测信号Id。电流误差放大电路EI放大上述的电流控制设定信号Isc和上述的焊接电流检测信号Id之间的误差，输出电流误差放大信号Ei。根据该电路，形成由电流控制设定信号Isc决定的恒流特性。在上述的电压误差放大信号ΔV＝0时的稳定电弧状态中，Isc＝Is，因此形成由电流设定信号Is决定的恒流特性。例如，在上述的图1中，如果设定Is＝Iw1，那么形成恒流特性CC1。同样如果由于干扰使电压误差放大信号ΔV＞0，Isc＝Iw2，那么形成恒流特性CC2。

(实施方式2)

本发明的实施方式2是，实施方式1中的熔化极使用在作为气体保护电弧焊接的熔化极脉冲电弧焊接中的情况。图3表示脉冲电弧焊接的电流·电压波形。该图(A)表示焊接电流瞬时值iw的时间变化，图(B)表示焊接电压瞬时值vw的时间变化。在时刻t1～t2的峰值期间Tp中，如该图(A)所示，为了使熔滴过渡接通大电流值的峰值电流Ip，如该图(B)所示，在焊丝和母材之间外加峰值电压Vp。在时刻t2～t3的基值期间Tb中，如该图(A)所示，为了使焊丝不熔化通过小电流值的基值电流Ib，如该图(B)所示，在焊丝和母材之间外加基值电压Vb。由峰值期间Tp以及基值期间Tb形成脉冲周期Tf。在脉冲电弧焊接中，每隔一个脉冲周期Tf将一个熔滴过渡到母材上，变成所谓的一个脉冲过渡1个熔滴。因此，电弧长度La在每一个脉冲周期内变化一次。由此，作为在上述的实施方式1中使用焊接电流Iw以及焊接电压Vw，在实施方式2中需要使用每个脉冲周期Tf的焊接电流平均值Iwa以及每个脉冲周期Tf的焊接电压平均值Vwa。即在实施方式2中，按照上述的脉冲周期焊接电流平均值Iwa为恒定值的方式形成恒流特性。此外，焊接电压移动平均值Vra是将上述的脉冲周期焊接电压平均值Vwa移动平均而算出的。因此，电压误差放大值ΔV＝G·(Vra-Vwa)。在该图(A)中，如果设定峰值期间Tp、峰值电流Ip、基值期间Tb以及基值电流Ib，那么将脉冲周期焊接电流平均值Iwa设定为规定值。因此，由于使脉冲周期焊接电流平均值Iwa变化，所以也可使峰值期间Tp、峰值电流Ip、基值期间Tb或基值电流Ib的至少一个以上变化。除上述以外与实施方式1相同。

图4是有关本发明的实施方式2的恒流特性的熔化极实施气体保护电弧焊接方法的焊接电源的框图。该图中在与上述的图2相同的模块中付与相同的符号，省略其说明。以下，对与图2不同的由虚线表示的模块进行说明。

脉冲周期焊接电压平均值计算电路VWA，每隔一个脉冲周期Tf计算出检测出焊接电压瞬时值vw后的焊接电压检测信号Vd的平均值，输出脉冲周期焊接电压平均值信号Vwa。焊接电压移动平均值计算电路VRA将上述的脉冲周期焊接电压平均值信号Vwa移动平均，输出焊接电压移动平均信号Vra。电压误差放大电路EV将上述的焊接电压移动平均值信号Vra和脉冲周期焊接电压平均值信号Vwa之间的误差放大，输出电压误差放大信号ΔV＝G·(Vra-Vwa)。G是预先设定的放大率。

基值期间设定电路TBS输出预先设定的基值期间设定信号Tbs。减法电路SB从上述的基值期间设定信号Tbs中减去上述的电压误差放大信号ΔV，输出基值期间控制设定信号Tbsc＝Tbs-ΔV。峰值期间设定电路TPS输出预先设定的峰值期间设定信号Tps。计时电路TM在由上述的峰值期间设定信号Tps设定的期间中为高电平，接着在由上述的基值期间控制设定信号Tbsc设定的期间中变为低电平，之后输出重复该动作的计时信号Tm。即在该计时信号Tm为高电平时变为峰值期间，低电平时变为基值期间。峰值电流设定电路IPS输出预先设定的峰值电流设定信号Ips。基准值电流设定电路IBS输出预先设定的基准值电流设定信号Ibs。切换电路SW在上述的计时信号Tm为高电平时切换到a侧，将上述的峰值电流设定信号Ips作为电流控制设定信号Isc输出，在低电平时切换到b侧，将上述的基值电流设定信号Ibs作为电流控制设定信号Isc输出。接通适合该电流控制设定信号Isc的在图3中上面已描述过的焊接电流瞬时值iw。

在该图中，在为稳定电弧状态时由于电压误差放大信号ΔV＝0，所以Tbsc＝Tbs。因此，在由峰值期间设定信号Tps设定的期间中通过由峰值电流设定信号Ips设定的电流，在由基值期间设定信号Tbs设定的期间中通过由基准值电流设定信号Ibs设定的电流。在该状态中的脉冲周期焊接电流平均值Iwa变为上述的图1的Iw1。

在稳定电弧状态中如果产生干扰使电弧长度La瞬时变长，那么电压误差放大信号ΔV＞0。因此，Tbsc＜Tbs，基值期间变得比稳定电弧状态更短。其结果，脉冲周期焊接电流平均值Iwa变小，变为上述的图1的Iw2。由此使外部特性的自控制作用起作用，抑制电弧长度La的变化。

在上述中已说明了可变基值期间Tb使脉冲周期焊接电流平均值Iwa变化的情况。除此之外在可变峰值期间Tp时也可将Tp＝Tps+ΔV。同样，在可变基值电流Ib时也可将Ib＝Ibs+ΔV。进一步在可变峰值电流Ip时也可将Ip＝Ips+ΔV。此外，虽然上述只对铝MIG焊接进行了说明，但也能适用于在母材上形成有氧化膜的镁等的MIG焊接。

(效果)

图5是表示为了说明本发明的效果而测定电弧长度改变时的过渡响应性的方法的图。在焊丝上使用直径1.2mm的铝合金材料，由平均焊接电流100A、平均焊接电压18V、焊接速度80cm/min进行脉冲MIG焊接。在时刻t1将电弧长度设定为2mm，在时刻t2根据母材的段差供电芯片·母材间距离变长，电弧长度增长为6mm。从该状态到由外部特性的自控制作用复原电弧长度在时刻t3减小了2mm。将该时刻t2～t3为止的时间作为电弧长度复原时间进行测定。为了进行比较，对现有技术2和本发明两者进行测定。将其结果表示在图6中。从该图可知，在现有技术2中电弧长度复原时间为70ms左右。与此相对在本发明中电弧长度复原时间被大幅缩短，为20ms左右。由此，能够迅速使由于干扰的电弧长度的变化复原，变化幅度也变小，因此提高了焊接质量。

Claims (2)

1、一种根据恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法，在将焊丝边以预先设定的速度输送，边根据焊接电源的恒流特性将预先设定的焊接电流通入电弧进行焊接，其特征在于，

检测母材·焊丝间的焊接电压，将该焊接电压检测值移动平均，计算出焊接电压移动平均值，按照所述焊接电压检测值与所述焊接电压移动平均值大致相等的方式，改变根据所述恒流特性的所述焊接电流值。

2、根据权利要求1中所述的根据恒流特性的熔化极气体保护电弧焊接方法，其特征在于，

所述熔化极气体保护电弧焊接是将峰值期间中的峰值电流的通入以及基值期间中的基值电流的通入作为脉冲周期重复进行的熔化极脉冲电弧焊接，所述焊接电流值是每个所述脉冲周期的焊接电流平均值，所述焊接电压值是每个所述脉冲周期的焊接电压平均值，使所述峰值期间或所述峰值电流或所述基值期间或所述基值电流中的至少一个以上变化，以使每个脉冲周期的焊接电流平均值变化。

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