CN86101294B - 半自动热丝惰性气体保护钨极弧焊设备 - Google Patents

Abstract

半自动热丝ＴＩＧ焊接设备包括有：可移动的ＴＩＧ弧焊枪和送丝焊把；激励弧焊枪的热丝转换电源：送丝设备和基焊件；还有焊接状态控制装置和声音鉴别控制装置，分别用于控制焊丝加热功率与送丝率匹配和根据焊工的声音指令控制焊接状态。应用本发明，焊工两手可以分别持送丝焊把和ＴＩＧ弧焊枪，既便于按期望调节电弧和焊丝的插入位置，且仍能用声控快速方便地调整弧电流和调节送丝率以便调节焊接状态。

Description

半自动热丝惰性气体保护钨极弧焊设备

本发明涉及到钨极惰性气体保护（下称TIG）弧焊设备，具体地涉及到适合于进行半自动热丝TIG电弧的焊接。

图1为常规技术中自动TIG焊接的一例，其中所示的热丝TIG弧焊设备的布置表明焊丝是在激励和加热的条件下喂送的。直流弧焊电源3被接在钨电极1和基焊件2之间，并且在氩气保护中以钨电极做为负极而生成电弧，焊丝5由送丝设备6馈送，它经过导管7、焊丝导向器9和接在导管7上的焊咀8而被送到产生电弧的部位，并且同基焊件2发生接触。在这种情况中，焊接电源10被接通到焊咀8与基焊件2之间的部位，于是直流或交流电流流经焊丝5而产生焦耳热，借此热量加速了焊丝5的熔化速度。

在进行普通的手动TIG焊接中，当需要熔敷金属时，左手持一根焊条（例如直径2毫米，长600毫米）而右手持一个TIG弧焊枪，借此在手动馈送熔敷金属的同时而进行焊接。另一方面在进行自动TIG焊接的情况中，利用常电动机的自动送丝设备来喂送焊丝，其中焊丝喂管和TIG弧焊枪固定地夹在台架上，而该台架则被装在焊接用的电焊车上。

众所周知半自动TIG焊接为介乎上述两种焊接方法之间的一种。图2即为市场供应的一种半自动TIG焊枪，该焊枪的结构为，焊丝导向器9被半固定地装在可移动的TIG焊枪架11上，并且焊丝借助送丝设备以一预定速率自动喂送。由于必需将焊丝5的前端送到电弧4所形成的熔池12中的适当位置，所以TIG焊枪架11装上了调节器13，以便细调焊位。焊工用左手操作一个装在送丝设备的远方控制盒上的按纽来调节送丝率，同时右手持住焊枪14并且调节焊枪位置。在冷丝法焊接的情况中焊丝5通常不激励也不加热，焊丝5被从进行焊接的方向同向地送入。然而，在热丝法中焊丝5受激励和加热，它被从相对于焊接进行方向的后面送入。

在图2所示的焊接法中，在焊接进行中改变焊接进行方向时，需要同时也改变送丝位置，这只能以调节该调节器13的左手去调节焊丝5的送入位置，但是，在TIG焊接中电弧4需要精密控制其弧长时，则很难同时实现此精密控制和前述焊丝位置的调节，终归是在焊接进程中调节器13利用不上，结果，在操作焊枪中不可避免成为只能操作改变焊枪14的方向来改变焊接的方向。再者，在图2中为了利用焊枪14来取得合适的焊接状态，必需对焊丝5的前端浸到熔池12中的位置保持在最佳位置，但当在焊枪14和基焊件2之间所形成的角度改变时，则该焊丝5的前端浸在熔池12中的位置改变很大。总之应掌握焊枪14的角度使维持为常数。

如上所述，在半自动TIG焊接中，焊丝导向器9被固定在TIG焊枪架11上，焊枪14的活动是有限的，并且在焊接操作中自由度总归受到很大的妨碍。然而，若焊丝导向器9与TIG焊枪导向器11分离，则在进行焊接时TIG焊枪架11就需持在右手而焊丝导向器9被持在左手，这时出现的缺点是，两只手全被占用了，故而对焊丝5的送丝率的调节以及对焊丝热功率的调整所需的远方操作便无力进行了。

根据上述原因，焊枪14，其中包括图2所示的焊枪架11和焊丝导向器9是整体形成的，并且能用一只手掌握，但是，焊枪14的可控性不是很好的。结果，这种半自动TIG焊接，尽管其有很大的需要然而欲未被广泛应用。

本发明已研究出克服先有技术中的上述缺点，并旨在提供出一种TIG焊接设备，它为自动送丝，故能以一只手持焊丝导向器，另只手持TIG弧焊枪，而很方便地进行焊接。

为此目的，本发明特设计了一种半自动热丝TIG焊接设备，其中包括有：

一个可移动的TIG弧焊枪;

一个可移动的送丝焊把;

一个热丝转换电源，用于激励所述的TIG弧焊枪、所述的送丝焊枪和基焊件。

一个送丝设备，用于将焊丝以所期望的速率送到送丝焊把上;

一个焊接状态控制装置，用于控制焊丝加热功率，以便使焊丝得到与送丝率匹配的加热功率。

按照本发明，焊接操作是以一只手持送丝焊把和另只手持TIG弧焊枪来进行的，所以，电弧和焊丝所插入的位置能按照期望进行调节，虽然两手都被占用，但是焊丝的热功率自动地保持在一适当数值，所以能迅速实现恒定弧电流焊接。再者，焊工能以即时改变送丝率的方法适应焊丝的各种变化，所以，焊接能进行得犹如利用焊条进行手工TIG焊接时一样的感觉。

图1为解释一般应用的热丝TIG焊接设备布置的视图;

图2为解释常规的半自动TIG焊枪应用状态的视图;

图3为解释本发明的半自动TIG焊接设备各部件的配置图;

图4为本发明用的焊接电源输出电流的解说图;

图5为本发明TIG弧焊接的控制系统方框图;

图6为例述焊丝加热功率与焊丝熔融率之间关系的曲线;

图7为说明伸丝伸出长度与其电阻值之间的关系曲线;以及

图8为按照本发明进行控制送丝率与焊丝伸出长度匹配的关系曲线。

下面参照附图对本发明的一个实施例进行详细解释。

图3说明本发明适于半自动TIG焊接用热丝转换TIG焊接电源进行工作的各部件配置关系。

在图3中，一具手动TIG弧焊枪17，一具手动送丝焊把18和一块基焊件2都被分别接于热丝转换TIG焊接电源15，并从这里取得激发TIG焊弧和加热焊丝用的电流;一台送丝设备16对送丝焊把18喂送焊丝;电源15中并有一台焊接状态控制装置23，它与送丝设备16和远方控制装置22分别有电气连接;焊工利用远方控制装置22和类似装置在焊接前即予整定好弧电流和标准焊丝的送丝率。

当焊接行到电弧4的位置，并企图如前所述用双手调节送丝5时，这在普通的热丝TIG焊接的情况中，电弧4开始受到流经焊丝5的加热焊丝电流产生的电磁吹弧作用，并出现了这样的缺点，即在TIG弧焊枪17的钨极和焊丝5之间的位置关系产生随机的变化，结果电磁吹弧条件不稳定，从而得不到所期望的稳定焊接，在本实施例中，利用热丝转换TIG焊接电源作为热丝TIG焊接的电源从而消除了这一缺点。

图4说明了热丝转换TIG焊接法的原理，在此热丝转换TIG焊接法中应用了脉冲电弧，如图4所示，在电弧为峰值电流期间Tp内焊丝中不流过电流，焊丝电流只通过一预定时间间隔tw，而tw只是弧电流很低的基本电流时间间隔Tb中的一部分，由于这一安排，虽然在弧电流很低的基本电流时间间隔Tb内产生电磁吹弧，并且有一小部分被分配给熔融基焊件，然而焊丝在峰值电流时间间隔Tb期间则不流过电流，而把它们分配给基焊件进行大量熔融，借此而无电磁吹弧产生。现在一根直径为1.2毫米的软钢焊丝作为一焊接例来说明，利用的电弧具有平均电弧电流Iam＝220安培，转换频率为100赫，电弧峰值电流Ip＝280安培，峰值时间间隔Tp＝7.5毫秒，基值时间间隔Tb＝2.5毫秒，即能实现在下述状态下的焊接，即焊丝峰值电流Iw＝240安培，焊丝激励时间间隔tw＝1毫秒，其伸出长度e≈30毫米，以及焊丝熔融速率20克/分钟。采用了这种方法，成为热丝TIG焊接中一大问题的电磁吹弧问题基本上被消除。结果，甚至在弧长被增大、焊丝电流被提高以及插入焊丝的角度和位置在变化的情况下，该热丝TIG焊接几乎也能象一般冷焊接情况一样的完成。

现在来看半自动焊接，其中焊丝5是在一预定速率下自动喂送的，这时要使焊丝的实际熔融率与送丝率得到平衡是一极大的困难。例如，当送丝率比其熔融率稍微快些的时候，则焊丝5未熔融部分的伸出长度加大，并且位于送丝焊把18前端部上用于激励焊丝的焊咀8和基焊件之间的距离，也即伸出长度e逐渐增大，以致不能进行正常焊接。相反，如果送丝率稍小于熔融率，则常常因为熔融太多而发生焊丝与基焊件分离的现象，当焊丝前端与基焊料分离时，则焊丝的前端被电弧熔融而后形成一大熔滴或在焊丝和钨电极之间形成电弧，所以焊接也无法正常进行。尤其是在热丝TIG焊接法中，通常伸出尺寸e被保持为恒定，并被有效地控制到使加到焊丝上的电压或电流符合送丝率的要求。但是，由于送丝焊把是手把持的，所以很难掌握该伸出长度e为常数。当此伸出尺寸变化时，由于送丝率与所得的功率之间关系的不平衡，故也使焊接变得困难。这项缺点是能够克服的，即有效地控制焊丝电流，忽略尺寸e而恒定地符合送丝率要求送加热焊丝的功率即可。

图5流程图部分地说明组装成热丝转换TIG焊接电源15的焊接状态控制装置23的工作流程，焊工籍一个弧电流指定电路（d）接受近在手边的远方控制装置22发送的信号将电弧峰值电流Ip、峰值电流时间间隔Tp、基值电流Ib和基值电流时间间隔Tb整定到期望值。下一步，焊工籍一个基准送丝率指定电路（O）接受远方控制装置22发送的信号整定出所期望的基准送丝率。然后利用一个功率因数指定电路（b）接受远方控制装置22发送的信号将功率因数整定到适合于被研究焊接物应用的期望值。现在已根据经验确定出在无电弧下焊丝被激励和加热时在焊丝加热功率和焊丝熔融率之间的关系基本上为直线组成的关系，甚至在焊件性质不同时，也仅是改变这些比例常数而已，至于该直线关系则仍然保持。实际上在焊接期间，从电弧来的辐射热，从熔池来的热，由于与电弧等离子体等类的接触，其绝大部分都传到焊丝上。这些热量都可以随着焊丝的插入位置和插入角度不同而改变，但是，当这些位置和角度恒定时，这些热量基本上就可以认为与电流成比例，因此，如果检测出实际的送丝率和弧电流，则焊丝加热功率即可由下式确定：

p＝20.K.V-Iam

式中p为加热焊丝所需的功率，以瓦表示，

K为可变的功率因数，对直径为1.2毫米的软钢焊丝它接近1。

V为送丝率，以克/分钟表示，

Iam为平均弧电流，以安培表示。

送丝率检测信号电路（a）响应装在送丝装置16中送丝速率表发送的信号产生一个信号被送到功率因数指定电路（b），籍此它输出一个与相应于一功率因数的比例因数K相乘的乘积到一个焊丝加热功率确定电路（f）。另一方面，响应从该弧电流指定电路（d）来的信号，由一个平均弧电流检测电路（e）检测从电源输出的实际弧电流，产生一与平均弧电流Iam成比例的电压信号，并将之输出到焊丝加热功率确定电路（f），该焊丝加热功率确定电路（f）根据从功率因数指定电路（b）来确输入信号和从平均弧电流检测电路（e）来的输入信号确定出其间的差值，焊丝加热功率确定电路（f）按照上述就执行p＝20·K·V-Iam的计算，并输出一与焊接所需焊丝加热功率成比例的电压信号，焊丝的激励即如上述实现。实际的焊丝电流是由焊丝电流检测电路（j）检出，在焊丝伸长e上的焊丝电压是由焊丝电压检测电路（j）检出，检测出的这些信号被送到一个焊丝加热功率检测电路（c）中，在这里产生一个与实际焊丝加热功率成比例的电压信号，该实际焊丝加热功率即根据这些检测信号的乘积求得，并且该电压信号被送到焊丝激励时间确定电路（g），焊丝激励时间确定电路（g）找出该信号和从焊丝加热功率确定电路（f）来的前述信号之间的差值，并反馈控制焊丝激励时间。如上所述，这样实现的控制，即能在全部焊接期间保持实际送丝率、实际平均弧电流和实际加热功率之间的关系恒定。这样恒定地加上与送丝率相匹配的加热功率，即使伸出长度变化，而焊丝的熔融状态也能时时地被保持在最佳值。

其次，在用双手进行半自动TIG焊接期间，经常发生这样的情况，即送丝率保持在一定整定值不变化，在这种情况中籍在焊丝伸出长度已和送丝率之间保持一定相应关系的方法来解决各种问题。凭经验的断定，在对数计算纸上绘出在热丝电阻值与伸出长度之间一个较宽范围的基本上为由直线组成的关系，这是在激励期间并忽略了送丝率、焊丝的峰值电流及脉冲周期等因素的条件下加热得出的，有如图8所示。图8中的曲线是对直径为1.2毫米的软钢焊丝所作的实验结果。在实际进行双手半自动TIG焊接时，对伸出尺寸e为10毫米到100毫米的范围焊接操作比较容易完成，特别是对尺寸e为20毫米到30毫米范围内的焊接操作执行起来最为方便。那么如图8所示对应于伸出长度为20毫米到30毫米的范围，就用作基准送丝率;当伸出尺寸为100毫米及以下时，即可采用200%的基准送丝率;而当尺寸为大于50毫米时，送丝率置0，也即停止送丝。至于对其它的伸出尺寸，对上述各因数绘成另外直线而形成一条折线关系曲线，结果送丝率即按此曲线与伸出长度相匹配地变化。实际上，当进行热丝TIG焊接时，从焊接电流波形检测电路（i）和焊接电压检测电路（j）来的信号送到一个热丝电阻检测电路（k），籍此取其商即得到焊丝伸出段的电阻值，再将代表此值的信号送到利用此伸出长度变化的送丝率调节电路（n），该利用伸出长度变化的送丝率调节电路（n）设计成利用从基准送丝率指定电路（o）来的信号作为基准值和发送具有如图8所示相对应关系下的电压信号到送丝率指示输出电路（l）。

另一方面，从焊丝电压波形检测电路（j）发出的信号也同样达到一不接触检测电路（m），该不接触检测电路（m）根据焊丝端电压的变化鉴别焊丝是否与基焊件分离，如焊丝与基焊件相触，则呈现预定焊丝电压，当焊丝与基焊件分离时则呈现高的无负荷电压，并且发送一鉴别信号到该送丝率指示输出电路（l）。当焊丝与该基焊件分离时，送丝率指示输出电路（l）响应该信号而停止送丝，并且仅当焊丝处于与基焊件相接触的时候，该电路（l）发送一送丝率指示信号来馈送焊丝，该送丝率指示信号相应于从送丝率调节电路（n）根据伸出送丝装置16的长度变化提供的输出，但是根据这一设计，有时由于手颤和焊丝的过份加热而使焊丝5的前进端暂时离开熔池12。如上所述的送丝率指示电路（l）的电路是这样构成的，即如果分离的时间为1秒钟，则送丝率即时保持分离前的速率，如若分离的时间大于1秒钟，则说明应发送停止送丝信号，并停止送丝。根据这一电路的作用，当焊丝来到与基焊件接触时，送丝即开始，当焊丝与其分离时，送丝即被停止，所以焊工不用开关操作即能实现起动送丝和停止送丝的运行。

这样构成的焊接设备即能确定送丝开始、送丝停止和确定的送丝率，同时送丝装置16也即按上述进行激励。

在本实施例中，就热丝TIG焊接电源摆脱电磁吹弧所致的不利影响而论，利用了本热丝转换TIG焊接电源，但本发明无必要受此所限，而且其它类型的电源，例如脉冲电流加热焊丝的电源也照旧能用。

这里对本实施例须进一步详细说明的是，为保持基准送丝率而设定了伸出部分，甚至在焊工的手无意识地稍微晃动一下时，籍此也能维持住基准送丝率。再者，伸出尺寸越短则送丝越快，而伸出较长则可送丝稍慢些，籍此仍可以象利用焊条进行手动TIG焊接一样地凭感觉而完成焊接操作。但当送丝率相对较慢时，无意地使焊丝前端趋于与基焊件分离，以致控制可能须与上述相反有效，即当伸出部分被变长时送丝率加快，当伸出被减短时送丝率要慢，采用这种措施，则焊丝前端无意地与基焊件分离的次数就会减少。

本实施例已考虑到焊丝端电压被焊丝电流除的关系，并以伸出部分的电阻来调节送丝率，但也可采用这样的措施，即将焊丝电流为脉冲电流的峰值整定为常数，或将一部分焊丝电流整定为常数，检测这部分的焊丝端电压并使其与送丝率相对应。

TIG焊接能提供高质量的焊接，并具有这样的特征，即能用于要求各种焊接位置的焊接操作中，故TIG焊接已得到广泛的应用。但是，手动TIG焊接，即利用焊条进行熔敷金属，其工作能力是很低的，尤其是常规的半自动TIG焊接方法，其中应用了不激励的冷焊丝或激励的热焊丝，而且用一只手掌握焊枪，焊枪的可控性很低，这种方法实际上已不甚应用。但仅有在本发明开发之后，此种半自动热丝TIG焊接才容易实现其高度的控制能力和工作能力，即犹如用常规的用焊条进行手动TIG焊接时一样的感觉，而且工作效率问题也已被解决，由此而使TIG焊接的实际应用更加广泛，故本发明对工业界特别有利。

Claims (11)

1、一台半自动热丝钨极惰性气体保护焊接设备，包括有：

一个可移动的焊枪;

一个可移动的送丝焊把;

一个热丝钨极惰性气体保护焊接电源，用于激励所述的钨极惰性气体保护弧焊枪，所述的送丝焊把和基焊件;

一个送丝设备，用于将焊丝以所期望的速率送到送丝焊把上;其特征为：

设有一个焊接状态控制装置，用于控制焊丝的加热功率，以便使焊丝得到与送丝率匹配的加热功率。

2、按照权利要求1所述的半自动热丝钨极惰性气体保护焊接设备，其中所述的电源为一脉冲电弧电源，并且仅在电弧的基本电流时间间隔激励焊丝。

3、按照权利要求1所述的半自动热丝钨极惰性气体保护焊接设备，其特征为设有一个装置，在其中按照公式P＝20·K·V-Iam来求得焊丝的加热功率;式中P是施加的焊丝加热功率（瓦），K是比例常数，V是送丝率（克/分钟），以及Iam是电弧电流的平均值（安培）;并且将这样所求得的结果与实际检测的由焊丝的电流和电压波形的实时乘积得出的焊丝加热功率的平均值作比较，并且以反馈控制施加给焊丝功率。

4、按照权利要求1所述的半自动热丝钨极惰性气体保护焊接设备，其特征为设有一个装置，在其中根据焊丝伸出部分的电阻值求得焊丝伸出的长度，并且以与此伸出长度相匹配地控制送丝率。

5、按照权利要求1所述的半自动热丝钨极惰性气体保护焊接设备，其特征为设有一个装置，其中，当焊丝伸出长度保持在一定伸出长度范围内时，取得一恒定的基准送丝率，并当此伸出部分改变到超出所述长度时，送丝率则按此伸出的变化相匹配地改变。

6、按照权利要求5所述的半自动热丝钨极惰性气体保护焊接设备，其特征为设有一个装置，在其中，当所述的伸出长度小于该预定伸出长度时，送丝率被加快，并且当所述伸出长度大于该预定伸出长度时送丝率被减慢。

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