CN107717190B - 基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法 - Google Patents
基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法，它涉及一种气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法，具体涉及一种基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法。本发明针对小电流下气体保护焊熔滴过渡存在较多的问题。本发明所述装置包括第一导丝对轮、第二导丝对轮、第三导丝对轮、凸轮导轮机构、凸轮驱动机构和导电嘴，第一导丝对轮、第二导丝对轮、第三导丝对轮由左至右依次设置，第二导丝对轮安装在所述凸轮导轮机构的上端，所述凸轮导轮机构中的凸轮与所述凸轮驱动机构连接，焊丝由右至左依次穿过三对导丝对轮后与导电嘴连接。本发明属于焊接领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法，具体涉及一种基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法，属于焊接领域。
背景技术
随着科学技术的不断发展，我国各行业对焊接技术的要求越来越高，薄板的应用越来越多，薄板对焊接过程中的热输入量较为敏感，较大的热输入量会导致薄板烧穿、变形以及焊缝成型不平整的问题。因此，在焊接薄板时需要降低焊接电流以降低热输入。但是在小电流下，熔滴所受的电磁力和等离子流力不够大，受表面张力和斑点力的阻碍，熔滴过渡为大(粗)滴过渡，而且熔滴过渡过程不规律、不稳定。
目前焊接领域已有不少通过额外施加振动来加快熔滴过渡的方法。如专利“一种超声波与熔化极电弧复合的焊接方法”(ZL200710144660.7)通过施加超声波，利用超声的空化效应、振动效应使得熔化极气体焊接的熔滴在很小的情况下向熔池过渡；专利“微振动焊接装置及方法”(ZL201410779089.6)通过振动装置对电极进行微振动，促进熔滴过渡；专利“电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置及方法”(ZL201410492669.7)将振动结构的微振动通过电极两端的夹持装置传导给焊丝或者填充材料，使焊丝或填充材料垂直于轴向往复运动；专利“一种机械振动辅助熔滴过渡的TIG方法及其装置”(ZL201210026693.2)使用辅助机械振动装置带动振动杆上下往复振动，将热丝与焊丝的振动结合起来。虽然这些方法能在一定程度上提高熔滴过渡频率，降低热输入，但是这些方法均存在类似的不足：一、大部分现有发明均是振动机构带动电极或者焊枪进行振动，由于焊枪或电极自身质量大，运动惯性大，因此机构很难达到较高的频率，而熔滴自身的固有频率较大，因此机构难以引发熔滴发生共振，实际促进熔滴过渡的效果不理想；二、现有发明促进熔滴过渡的机理和目的性不明确，振动对熔滴的作用具有一定的随机性，熔滴过渡不够均匀；三、平行于工件表面的振动(摆动)可能会导致熔滴由于惯性脱离焊丝后下落在偏离焊缝中心的位置，降低了焊接质量，增加了清理的难度；四、振动机构位于焊枪外部，不便于制成手持设备。
发明内容
本发明针对小电流下气体保护焊熔滴过渡存在较多的问题，提出基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置及控制方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述装置包括第一导丝对轮、第二导丝对轮、第三导丝对轮、凸轮导轮机构、凸轮驱动机构和导电嘴，第一导丝对轮、第二导丝对轮、第三导丝对轮由左至右依次设置，第二导丝对轮安装在所述凸轮导轮机构的上端，所述凸轮导轮机构中的凸轮与所述凸轮驱动机构连接，焊丝由右至左依次穿过三对导丝对轮后与导电嘴连接。
本发明所述方法的具体步骤如下：
步骤一、启动高速伺服电机，高速伺服电机通过联轴器带动变直径凸轮以0～50Hz的频率旋转；
步骤二、凸轮导轮带动凸轮顶杆以两倍于凸轮旋转频率的频率做直线往复运动；
步骤三、第二导丝对轮带动第一导丝对轮与第三导丝对轮之间的焊丝在垂直焊丝的方向进行周期性摆动。
本发明的有益效果是：1、本发明针对小电流下气体保护焊熔滴过渡存在的问题，提出了基于焊接熔滴谐振原理的机械式熔滴过渡精确控制方法。其具体效果是在高速电机和凸轮机构的配合下，使焊接过程中焊丝端头产生直线往复运动，采用主动激振的方式使熔滴发生受迫振动，在熔滴长大到一定程度时，发生谐振提前脱离焊丝下落到熔池内，完成熔滴过渡。本发明的熔滴过渡控制方式不同于现有的超声波或微振动激振方式，不是简单的通过附加能量促进熔滴过渡的过程，而是采用较大幅度(1mm～3mm)的特定频率的振动，有意地迫使长大到预期大小的熔滴迅速发生谐振而完成熔滴过渡。根据熔滴质量和其固有频率的关系，控制高速伺服电机的速度，改变焊丝往复运动的频率，从而实现熔滴大小的精确控制。如果配合调整焊接电流的大小，则熔滴过渡时熔滴的大小和过渡的频率均是可控的；2、本发明利用熔滴的固有频率和质量的关系，采用机械激振的方法使熔滴产生共振，可以促使熔滴提前下落，防止短路过渡和大滴过渡的发生；3、本发明缩短了熔滴下落前被加热的时间，降低了对薄板的热输入，同时，焊接热输入更加均匀而且可控；4、由于熔滴被加热的时间缩短，熔滴不会过热，熔滴内溶解的气体减少，有利于抑制焊缝气孔缺陷，同时可以减少焊接材料的合金元素烧损，进而提高焊缝质量；5、本发明没有短路过渡中的熄弧过程，提高了焊接过程的连续性与稳定性，能有效提高焊接效率和焊接质量；6、本发明实现小电流下气体保护焊熔滴过渡的精确控制，过渡时的熔滴大小和过渡频率均可控制；7、本发明摆脱了短路过渡对焊接参数的限制，扩大了焊接参数的调节范围。焊丝端头的振动频率和振动幅度均可以实时调节，焊接方法对不同工况和焊接要求有良好的适应能力。
附图说明
图1是气体保护焊熔滴过渡控制装置的结构示意图；
图2是熔滴受力情况示意图；
图3是熔滴固有频率与其质量关系示意图；
图4是焊丝端头位置曲线示意图；
图5是熔滴谐振示意图；
图6是焊接系统协同工作原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置包括第一导丝对轮1、第二导丝对轮2、第三导丝对轮3、凸轮导轮机构、凸轮驱动机构和导电嘴13，第一导丝对轮1、第二导丝对轮2、第三导丝对轮3由左至右依次设置，第二导丝对轮2安装在所述凸轮导轮机构的上端，所述凸轮导轮机构的下端与所述凸轮驱动机构连接，焊丝5由右至左一依次穿过三对导丝对轮后与导电嘴13连接。
具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置的凸轮导轮机构包括复位弹簧10、凸轮顶杆11和凸轮导轮12，凸轮顶杆11的上端与第二导丝对轮2连接，凸轮顶杆11的下端与凸轮导轮12连接，复位弹簧10套装在凸轮顶杆11上，且复位弹簧10位于第二导丝对轮2与凸轮导轮12之间。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置的凸轮驱动机构包括高速伺服电机6、滑轨7、联轴器8和变直径凸轮9，高速伺服电机6安装在滑轨7上，且高速伺服电机6能沿滑轨7直线移动，高速伺服电机6的转动轴通过联轴器8与变直径凸轮9连接，变直径凸轮9的轮缘与凸轮导轮12接触。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置还包括止退夹头4，止退夹头4安装在焊丝5上。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制方法的具体步骤如下：
步骤一、启动高速伺服电机6，高速伺服电机6通过联轴器8带动变直径凸轮9以0～50Hz的频率旋转；
步骤二、凸轮导轮12带动凸轮顶杆11以两倍于凸轮旋转频率的频率做直线往复运动；
步骤三、第二导丝对轮2带动第一导丝对轮1与第三导丝对轮3之间的焊丝5在垂直焊丝5的方向进行周期性摆动。
气体保护焊熔滴过渡控制装置工作原理
焊丝5由送丝机通过导丝嘴4送进振动机构中，第一导丝对轮1、第二导丝对轮2、第三导丝对轮3起夹紧焊丝和导向的作用，自身无动力驱动。高速电机6启动后，通过联轴器8带动变直径凸轮9以一定的频率旋转，凸轮导轮12带动顶杆以对应的频率做直线往复运动。凸轮顶杆11上的第一导丝对轮2带动第一导丝对轮1、第二导丝对轮3之间的焊丝5在垂直焊丝的方向进行周期性摆动。在导电嘴13处可以看到焊丝端头做周期性的“送出—回抽”振动。由以上工作原理可知，改变伺服电机的速度，可以改变焊丝端头振动的频率。高速电机6位于滑轨7上，由精密电机控制，可以沿电机轴向直线运动。由附图2所示的凸轮结构可知，凸轮9在纵向上直径是逐渐变化的，凸轮9的工作截面会随着高速电机沿滑轨的移动而改变从而间接实现焊丝端头振动幅度的无极调节。
熔滴谐振法促进熔滴过渡的原理如下：
焊接过程中熔滴的受力情况如图2(a)所示。在小电流焊接条件下，熔滴受电弧力(电磁收缩力、等离子流力)较小，在表面张力和斑点力的阻碍下，熔滴过渡困难。根据SHAM提出的“质量—弹簧”模型，焊丝端部的熔滴可以看做是一个“质量—弹簧”系统，其中弹簧一端连接着固体焊丝，另一端连接着液态金属熔滴，熔滴的表面张力表现为弹簧回复力，如图2(b)所示。焊接过程中，熔滴的质量、弹簧的弹性系数和阻尼系数不断变化，系统可以表示为一个时变的二阶振荡系统：
F(t)＝Fem+Fd+Fg
式中x为熔滴质心沿焊丝轴线的位移，m为熔滴质量，b为阻尼系数，k为弹簧阻尼系数，F为熔滴受到的外部作用力，包括电磁力Fem，等离子流力Fd和熔滴重力Fg。b(t)和k(t)可以表示为熔滴质量m的函数，且借助高速摄像机在试验中进行标定。
如果熔滴质量为定值m，则对应的弹簧弹性系数和阻尼系数均为定值。根据前述振动公式可知，系统的振动频率为定值f，本专利中称之为熔滴的“固有频率”。由于焊接过程中熔滴的质量不断变化，因此“固有频率”也在不断变化。熔滴固有频率与其质量的关系如附图3所示，其中熔滴质量与振动的固有频率一一对应。
根据焊接参数确定送丝机送丝速度，使得送丝速度与焊丝熔化速度(m/min)相同。若不启动焊丝脉动机构，则情况与普通焊接过程相同，送丝速度与熔化速度相同，焊丝端头几乎不发生移动。根据附图3中熔滴的固有频率与其质量的关系确定焊丝激振频率。启动焊丝脉动后，焊丝端头的实际位移随时间变化如附图4所示。新生成的熔滴在逐渐长大的过程中，一旦其固有频率接近或者等于焊丝端头的振动频率，便会快速发生谐振。如附图5所示，熔滴振幅快速增大，某一时刻脱离焊丝端头进入熔池完成一次熔滴过渡。此后，熔滴继续长大，重复这一过程。
附图6为“基于谐振法的熔滴精确过渡控制机构”的一种应用实例。在一般焊接设备中引入附图1所示焊丝脉动机构、PC上位机和微机控制系统，结合传感器可以构成闭环控制系统。焊丝由送丝机送入振动机构，振动机构送出焊丝后进入焊枪内，焊枪由焊接机器人加持并控制其运动。在焊接过程中，如果焊接工况发生变化，控制系统通过传感器采集到这一信息后，会通过预定的控制算法做出相应的焊接参数调整，同时将激振频率和振幅的调整指令发送给微机，由微机对焊丝脉动机构做出对应的调整。以上调整过程可以在焊接过程中实时进行，提高了焊接系统的适应性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置，其特征在于：所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置包括第一导丝对轮(1)、第二导丝对轮(2)、第三导丝对轮(3)、凸轮导轮机构、凸轮驱动机构和导电嘴(13)，
所述凸轮导轮机构包括复位弹簧(10)、凸轮顶杆(11)和凸轮导轮(12)，凸轮顶杆(11)的上端与第二导丝对轮(2)连接，凸轮顶杆(11)的下端与凸轮导轮(12)连接，复位弹簧(10)套装在凸轮顶杆(11)上，且复位弹簧(10)位于第二导丝对轮(2)与凸轮导轮(12)之间；
所述凸轮驱动机构包括高速伺服电机(6)、滑轨(7)、联轴器(8)和变直径凸轮(9)，高速伺服电机(6)安装在滑轨(7)上，且高速伺服电机(6)能沿滑轨(7)直线移动，高速伺服电机(6)的转动轴通过联轴器(8)与变直径凸轮(9)连接，变直径凸轮(9)的轮缘与凸轮导轮(12)接触；
第一导丝对轮(1)、第二导丝对轮(2)、第三导丝对轮(3)由左至右依次设置，第二导丝对轮(2)安装在所述凸轮导轮机构的上端，所述凸轮导轮机构中的凸轮导轮(12)与所述凸轮驱动机构连接，焊丝(5)由右至左依次穿过三对导丝对轮后与导电嘴(13)连接。
2.根据权利要求1所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置，其特征在于：所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制装置还包括止退夹头(4)，止退夹头(4)安装在焊丝(5)上。
3.一种利用权利要求1所述装置进行气体保护焊熔滴过渡的控制方法，其特征在于：所述基于熔滴谐振原理的气体保护焊熔滴过渡控制方法的具体步骤如下：
步骤一、启动高速伺服电机(6)，高速伺服电机(6)通过联轴器(8)带动变直径凸轮(9)以0～50Hz的频率旋转；
步骤二、凸轮导轮(12)带动凸轮顶杆(11)以两倍于凸轮旋转频率的频率做直线往复运动；
步骤三、第二导丝对轮(2)带动第一导丝对轮(1)与第三导丝对轮(3)之间的焊丝(5)在垂直焊丝(5)的方向进行周期性摆动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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