CN108057942A - 一种短路过渡焊接方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种短路过渡焊接方法及系统属于焊接电源和焊接自动化设备领域。本方法在焊接燃弧阶段的焊接主电流的基础上叠加了高频脉冲电流，利用高频效应来改善焊接质量。在短路阶段，送丝机改变送丝速度来进行减速送丝或者回抽焊丝以辅助熔滴过渡。本发明的另一个目的在于提出一种短路过渡焊接系统，以实现上述焊接方法，本系统采用变速送丝的方法，同时可以检测焊接过程中的短路或者燃弧状态，并输出合适的焊接电流。另外，在燃弧阶段，还可以叠加大于20kHZ的高频脉冲电流。研究表明利用拥有高频效应的电弧进行焊接，可以大幅提高焊接稳定性和电弧挺度，另外高频电弧还拥有晶粒细化的作用，这有利于焊缝组织和接头性能的改善。

Description

一种短路过渡焊接方法及系统

技术领域

本发明涉及一种熔化极气体保护焊方法，具体通过在焊接过程中改变焊接电流和送丝 速度来实施。本发明还涉及一种焊接系统，属于焊接电源和焊接自动化设备领域。

背景技术

熔化极气体保护焊是一种成本低、变形小、易于实现的焊接方法，这种焊接方法正广 泛应用于机械加工领域。在焊接过程中，熔滴过渡的方式多种多样，通常可以通过更改焊接参数来改变熔滴过渡的方式。常用的过渡方法有喷射过渡、大滴过渡、短路过渡等， 其中短路过渡方法被广泛应用于薄板焊接，因为在小电流焊接时，这种过渡方法比较稳 定。在一个短路过渡的周期中有燃弧和短路两个阶段，电弧燃烧时产生的热量用来熔化 焊丝，在焊丝末端形成熔滴，当熔滴接触到熔池的时候电弧被短路而熄灭，熔滴在重力、 电磁收缩力、表面张力等力的作用下过渡到熔池里，完成熔滴过渡以后，焊丝和熔池之 间又会重新燃起电弧，开始下一个过渡周期。

在短路熔滴过渡的过程中，有两个时间点最容易产生飞溅，一个是熔化的熔滴刚刚接 触到熔池的时候，此时熔滴和熔池的接触面积很小，所以流过熔滴和熔池的接触面的电 流密度很大容易发生爆断产生飞溅。另一个是在焊丝与熔池之间形成金属液桥后，由于表面张力和电磁收缩力的作用，金属液桥会越来越细形成颈缩，这个颈缩被称为“小桥”，同理，流过小桥的电流密度也很大，所以此时也容易因爆断而产生飞溅。为了抑制这两 个时刻产生飞溅，通常会通过焊接电源降低短路初期和末期的电流，实现稳定的熔滴过 渡。另外检测到小桥爆断之前可以控制送丝电机使焊丝回抽或者减慢送丝速度，利用机 械力拉断小桥，这样做即可以减小焊接时的飞溅也可以降低焊接过程中的热输入。

目前的短路过渡焊接的控制方法主要是在短路阶段抑制焊接能量的输入，并没有对燃 弧阶段的电弧做太多改善。研究表明利用拥有高频效应的电弧进行焊接，可以大幅提高 焊接稳定性和电弧挺度，另外高频电弧还拥有晶粒细化的作用，这有利于焊缝组织和接头性能的改善。

发明内容

本发明的目的在于提出一种短路过渡焊接方法，本方法在焊接燃弧阶段的焊接主电流 的基础上叠加了高频脉冲电流，利用高频效应来改善焊接质量。在短路阶段，送丝机改 变送丝速度来进行减速送丝或者回抽焊丝以辅助熔滴过渡。

为了实现上述目的，本发明提出的焊接方法包括以下步骤：

a)燃弧阶段开始后，使焊接主电流保持Ip1；

b)延迟Tp，之后焊接主电流指数衰减至燃弧基值电流Iab并等待短路阶段开始；

c)短路阶段开始后，先以上升斜率K1提升焊接主电流至Is；

d)以上升斜率K2提升焊接主电流，短路阶段电流最高不超过Isp，若达到Isp后短路阶段还未结束则保持恒流；

e)检测到下一周期燃弧阶段开始后，重复进行步骤a；

步骤a至b过程中自燃弧阶段开始延迟Thd后，开始叠加高频脉冲电流，高频脉冲电流的幅值为Ip2，叠加时间为Thf。其中Thd可以等于0ms，即可以在燃弧阶段开始后立 即叠加高频脉冲电流，叠加高频脉冲电流的频率为F。

大于燃弧电压就算他燃弧，小于短路电压就算他短路；

步骤a至b中燃弧阶段先保持一个较大的峰值电流Ip1，再逐渐降低电流的做法的好 处是既保证了燃弧初期电弧的稳定性又可以在燃弧后期对焊接热输入进行调节。

步骤c至d中将焊接主电流分两步提升至Ip1的好处是：在短路初期减小热输入，能够防止金属液桥爆断，在短路中期增大电流，可以促进熔滴过渡，在短路后期保持大电 流有助于提高下一周期燃弧阶段的电弧稳定性。为了进一步减小爆断飞溅的产生，还可 以视情况采用降低短路初期和短路后期电流的方法，具体做法为：短路开始后先立即降 低焊接主电流至Ib，经过Tb后再开始快速提升电流；短路末期预测到燃弧阶段即将到来 后立即降低焊接电流至Ib，待燃弧阶段开始后再立即将电流回升至Ip1。燃弧阶段的预测 可以采用现有技术中任意能实现该功能的方法。

步骤a和步骤c中可以以焊接电压信号的变化为基础进行计算来判断燃弧阶段和短路 阶段的开始。

在进行步骤a至步骤d的过程中还可以改变送丝速度来辅助熔滴过渡。燃弧阶段自开 始延迟Tsd后，送丝机以燃弧送丝速度Va送进焊丝；短路阶段自开始延迟Tad后，以短 路送丝速度Vs送进或者回抽焊丝。

Va范围为2m/min～30m/min，Vs范围为‐30m/min～30m/min负值代表回抽焊丝。

上述内容所提到的燃弧基值电流Iab的取值范围为100A～200A；基值电流Ib范围为 10A～100A；燃弧峰值Ip1范围为200A～400A；叠加的高频脉冲电流峰值Ip2范围为0A～200A； 短路电流Is取值范围为100A～300A；Tp取值范围为0ms～3.5ms；Thd取值范围为0ms～5ms； Thf取值范围为1ms～5ms；Tb的取值范围为0～1ms；Tsd和Tad的取值范围为0～2ms；高 频脉冲电流的频率F至少在1kHz以上，最好大于20kHz；两段上升斜率K1、K2的选取一 般满足K1>K2，且根据不同的焊接参数进行调整，保证在下一周期的燃弧阶段到来之前使 焊接主电流升至Ip1。

高频脉冲电流的频率和Q4的开关频率相等；

步骤a表示从燃弧阶段开始就把电流保持在Ip1，步骤b的意思是从燃弧阶段开始算 起延迟Tp后焊接主电流指数衰减至燃弧基值电流Iab并等待短路阶段开始；

那些可以为零的就是表示可以没有的，即可以不延迟的意思。

本发明的另一个目的在于提出一种短路过渡焊接系统，以实现上述焊接方法，本系统 采用变速送丝的方法，同时可以检测焊接过程中的短路或者燃弧状态，并输出合适的焊 接电流。另外，在燃弧阶段，还可以叠加大于20kHZ的高频脉冲电流。

本发明提出的短路过渡焊接系统由主电路部分1，控制电路2和送丝系统3三部分构 成。

主电路部分1包括输出短路过渡焊接电流波形的主电流输出部分11和叠加的高频脉 冲电流的高频脉冲电流输出部分12，这两个部分通过焊接电源输出端13并联连接。

三相工频380V电压输入到主电流输出部分11后先经过输入整流电路进行整流和滤波 得到直流电，整流电路的输出与逆变电路的输入相连；

逆变电路将整流后的直流电进行逆变，得到更高频率的交流电，逆变电路的输出与中 频变压器的原边相连；

中频变压器将原边的电能传导到副边，中频变压器的副边与输出整流电路的输入端相 连；

输出整流电路负责把中频变压器耦合过来的交流电整流成直流电，输出整流电路的输 出端与滤波电感相连，滤波电感负责稳定输出电流。

三相工频380V电压输入到高频脉冲电流输出部分12后，先会给直流恒流源提供电源， 直流恒流源的作用是持续稳定的输出高频脉冲电流峰值Ip2；

直流恒流源的输出接到电流切换电路的输入端，电流切换电路将直流恒流源输出的电 流进行高频切换后作为燃弧阶段叠加的高频脉冲电流。

高频脉冲电流输出部分12中的直流恒流源可采用现有技术中能实现该功能的任一电 路构造。

控制电路2包括单片机控制系统，送丝系统控制及接口电路，人机交互界面，第一驱 动电路，切换驱动电路和第二驱动电路。

单片机控制系统可以接受并处理焊接过程中的焊接电压U、焊接电流I、滤波电感输 出的主电流和直流恒流源输出的高频脉冲电流峰值I的反馈信号。通过处理这些信号，单 片机控制系统可以判断短路或者燃弧状态并实现以下功能：

单片机控制系统与第一驱动电路相连，给第一驱动电路输入一个PWM信号，第一驱动电路与逆变电路相连，控制逆变电路中的开关管的导通与关断从而调整主电流输出部分11的电流输出；

单片机控制系统还与第二驱动电路相连，给第二驱动电路输入一个PWM信号，第一驱动电路与直流恒流源相连，控制直流恒流源中的开关管的导通与关断，从而调整直流 恒流源输出的高频脉冲电流峰值Ip2；

单片机控制系统还与切换驱动电路相连，给切换驱动电路输入一个PWM信号，切换驱动电路与电流切换电路相连，控制切换电路中的开关管的导通与关断，从而控制高频 脉冲电流的频率和叠加时间Thf；

单片机控制系统还与人机交互界面相连，即可以接收人机交互界面发送的设定焊接参 数又可以发送实际焊接参数给人机交互界面，人机交互界面可以用于调整焊接参数。

单片机控制系统还与送丝系统控制及接口电路相连，给送丝系统控制及接口电路输入 焊接过程中送丝机开关及送丝速度信号，送丝系统控制及接口电路与送丝系统3相连， 控制送丝系统3中的送丝伺服电机。

附图说明

图1短路过渡焊接方法流程图

图2短路过渡焊接系统示意图

图3一种短路过渡焊接系统具体应用实例

图4一种短路过渡焊接方法应用实例波形图

具体实施方式

下面通过应用实例来对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的一个具体应用实例如图3和图4所示的短路过渡焊接系统和短路过渡焊接 波形所示。

该实例采用的焊接系统包括主电流输出电源、高频脉冲电流输出电源、焊接电源输出、 控制电路和送丝系统五个部分，其中主电流输出电源和高频脉冲电流输出电源的输出通 过焊接电源输出相连，共同构成该焊接系统的主电路并负责功率输出。

主电流输出电源的整流电路采由四个二极管和滤波电容组成，四个二极管可用集成好 的大功率整流桥代替，当输入为三相工频交流电的时候，可以采用三相整流桥。逆变电 路采用的是桥式结构，图4中电容C1、C2，二极管D1、D2，IGBT Q1、Q2组成了一个半 桥式逆变电路，通过两支IGBT交替导通就可以将整流后的直流电变成更高频率的交流电， 另外两支IGBT还分别并联缓冲电路以在其关断时起到保护作用。逆变后的交流电通过变 压器T的原边降压耦合到副边，变压器的副边有一个中心抽头，中心抽头配合二极管D3、 D4实现整流功能；不过整流后的输出还是一个间断的电压，所以最后还得经过滤波电感 L整流输出一个连续的电流，输出的电流和间断电压的平均值有关，即在当输入电压和变 压器变比固定的情况下，主电流输出电源的电流输出和两支IGBT的导通占空比有关；另 外滤波电感和电源的输出端还有一个开关管Q3和功率电阻R并联组成的电路，这个电 路的目的是改善电源输出的动态性能，正常工作时Q3处于导通状态，而当电流需要迅速 下降的时候Q3关断，电感中的能量通过电阻R迅速释放达到快速降低电流的目的。

高频脉冲电流输出电源中的直流恒流源采用斩波式结构，恒流源的输出给控制电路中 的dsPIC30F6011单片机核心控制电路发送反馈，并与设定好的电流值进行对比，对比后 产生的误差信号用来生成PWM控制信号，之后再通过驱动电路控制恒流源中的开关管就可以输出一个设定好的电流定值了，这个定值就是之后输出的高频脉冲电流的幅值Ip2。IGBT Q4和Q5组成了一个电流切换电路，同样这两支IGBT都并联了缓冲电路。将稳定的 电流切换成高频脉冲电流的方法是通过Q4的导通与关断，当Q4导通的时候，直流恒流 源输出被Q4短路，电流从Q4流过；当Q4关断的时候直流恒流源输出到焊接电源输出 端。Q5的作用是在Q4导通时关断以消除电路中杂散电感的续流作用，当Q4关断时Q5 会保持导通状态。有上述说明可知，高频脉冲电流的频率由Q4的开关频率决定，并且令 Q4一直导通就可以停止叠加高频脉冲电流。

主电流输出电源和高频脉冲电流输出电源在焊接电源输出部分分别接了两个二极管 D5、D6，之后并联连接，两支二极管的作用是防止两个电源互相影响。两个电源并联后接到焊枪和母材上，并且通过电流传感器和电压传感器来采集焊接数据反馈给dsPIC30F6011单片机核心控制电路。其中焊枪即起到给焊丝导电的作用，还起到引导送 丝的作用，所以焊枪既属于焊接电源输出部分也属于送丝系统部分。

送丝系统包括送丝机、焊枪、导丝管、推拉电机、焊丝长度检测装置等与送丝相关的 部件。送丝机中的电机和推拉电机采用伺服电机，所以需要有送丝电机驱动。送丝系统工作原理是，推拉电机负责调整焊接过程中的送丝速度，送丝机中的伺服电机负责配合 推拉焊机补充焊丝。因为在焊接过程中，除了焊丝和导丝管以外其他的装置都是固定的， 因此焊丝长度检测装置可以根据焊丝的角度检测焊丝长短，从而判断是否需要补充焊丝， 并以此为依据控制送丝机。

控制电路部分以dsPIC30F6011单片机为核心数据处理芯片，并且根据要实现的功能 外加了很多电路。dsPIC30F6011单片机核心控制电路包括反馈处理、数据运算、数据发送和数据接收等功能，通过给单片机编程就可以实现包括本专利提到的焊接方法在内的焊接程序。该核心控制电路可以发送PWM信号给各路驱动电路以达到调整电流输出的目的，还可以通过CAN通信总线来与送丝控制电路和焊机控制面板之间进行数据传输。

本实例采用的是配合推拉丝的短路过渡焊接方法，即Va>0，Vs<0，到达短路阶段后通过回抽焊丝来辅助熔滴过渡。具体的焊接波形如图4所示。下面以燃弧阶段的开始作 为一个熔滴过渡周期的起始进行说明：

当焊接电压U突然增大时说明燃弧阶段开始，开始执行燃弧程序。此时为了增强电弧的稳定性，应立即回升焊接主电流至Ip1。燃弧阶段到来后推拉电机应该送进焊丝，但 根据具体的焊接工艺或者送丝系统的响应性能可以延迟Tsd。自燃弧开始延迟Thd后，开 始叠加高频脉冲电流，高频脉冲电流叠加的持续时间Thf可以根据具体的焊接需求选取， 一般在1ms～5ms之间。所以，燃弧阶段焊接电流I最高可以达到的峰值为Ip1+Ip2。燃弧 后期，电弧已经能够稳定燃烧了，所以可以把电流逐渐降低减少热输入。

当焊接电压U突然减小的时候，说明此时发生短路，开始执行短路程序。短路发生后立即将焊接电流降低至基值电流Ib，因为此时熔滴刚接触到熔池，它们之间的接触面 积很小，若能量输入过大容易发生爆断产生飞溅。经过Tb后，开始以较大的斜率提升电 流至Is，之后再以较小的斜率提升电流，最终电流达到Isp后不再继续上升，保持恒流， 此实例中Isp＝Ip1。在检测到熔滴过渡快要完成时，可以把电流再次暂时降低到Ib，这样 可以防止小桥爆断，等到燃弧阶段刚刚开始后再将电流升高回到Is。本实例采用的预测 燃弧的方法是：先通过采集电流和电压信号来计算液桥的电阻特性，再根据电阻特性及 其变化规律来判断液桥的收缩程度以预测熔滴过渡的结束的。在两次降低电流至Ib的时 候，可以将主电流输出电源的Q3关断，加快焊接电源对电流下降信号的响应速度。在熔 滴过渡的时候，应该使推拉电机回抽焊丝，同样的，根据焊接工艺或者送丝系统的响应 性能可以延迟Tad。

上面所述的内容是本发明的一个应用实例，对于本发明的应用方式还可以做一些变 化，比如说主电流输出电源采用全桥或者其他种类的电路结构；短路阶段只是减速或停止送丝而不是回抽焊丝；用其他单片机代替dsPIC30F6011等等。只要采用的系统和焊接 方法于本发明所述的内容一致，均应视为本发明的范围。

Claims (7)

1.一种短路过渡焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)燃弧阶段开始后，使焊接主电流保持Ip1；

b)延迟Tp，之后焊接主电流指数衰减至燃弧基值电流Iab并等待短路阶段开始；

c)短路阶段开始后，先以上升斜率K1提升焊接主电流至Is；

d)以上升斜率K2提升焊接主电流，短路阶段电流最高不超过Isp，若达到Isp后短路阶段还未结束则保持恒流；

e)检测到下一周期燃弧阶段开始后，重复进行步骤a；

其特征在于，在进行步骤b的过程中，叠加高频脉冲电流，具体方法为：燃弧阶段开始后，立即或者延迟Thd后开始叠加高频脉冲电流，叠加高频脉冲电流的时长为Thf，幅值为Ip2，频率为F；

所提到的燃弧基值电流Iab的取值范围为15A<Iab<250A；基值电流Ib范围为20A<Ib<100A；燃弧峰值Ip1范围为150A<Ip1<450A；短路电流最大值Isp的取值范围为350A<Isp<650A；叠加的高频脉冲电流峰值Ip2范围为0A<Ip<200A；短路电流Is取值范围为100A<Is<300A；Tp取值范围为0ms<Tp<3.5ms；Thd取值范围为0ms<Thd<3.5ms；Thf取值范围为1ms<Thf<10ms；Tsd的取值范围为0<Tsd<2ms；和Tad的取值范围为0<Tad<2ms；高频脉冲电流的频率F至少在1kHz以上；两段上升斜率80A/ms<K1<120A/ms，30A/ms<K2<90A/ms，且保证K1>K2。

2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在进行步骤a至b时，自燃弧开始延迟Tsd后，送丝机以燃弧送丝速度Va送进焊丝；在进行步骤c至d时，自短路开始延迟Tad后，以短路送丝速度Vs送进或者回抽焊丝；Va范围为2m/min～30m/min，Vs范围为-30m/min～30m/min负值代表回抽焊丝。

3.根据权利要求1或2所述的焊接方法，其特征在于，在步骤a至b过程中短路阶段刚刚到来后，降低焊接主电流至Ib并持续一段时间Tb；Tb的取值范围为0～1ms。

4.一种短路过渡焊接系统，其特征在于，包括主电路部分(1)，控制电路(2)和送丝系统(3)三部分构成；

所述的主电路部分(1)包括：主电流输出部分(11)、高频脉冲电流输出部分(12)和焊接电源输出端(13)；主电流输出部分(11)和高频脉冲电流输出部分(12)分别与焊接电源输出端(13)相连；

控制电路(2)与主电路部分(1)中的焊接电源输出端(13)相连，接收焊接电压U和焊接电流I的反馈；控制电路(2)还与主电路部分(1)中的主电流输出部分(11)相连，控制短路过渡焊接的主电流；控制电路(2)还与主电路部分(1)中的高频脉冲电流输出部分(12)相连，控制高频脉冲电流峰值Ip2和高频脉冲电流的频率；

控制电路(2)与送丝系统(3)相连，控制送丝速度V。

5.根据权利要求4所述的焊接系统，其特征在于，主电流输出部分(11)包括依次连接的输入整流电路(1101)、逆变电路(1102)、中频变压器(1103)、输出整流(1104)、滤波电感(1105)。

6.根据权利要求4或5所述的焊接系统，其特征在于，高频脉冲电流输出部分(12)包括依次连接的直流恒流源(1201)和电流切换电路(1202)。

7.根据权利要求4至6任意一项所述的焊接系统，其特征在于，控制电路(2)包括单片机控制系统(21)、送丝系统控制及接口电路(22)、人机交互界面(23)、第一驱动电路(24)、切换驱动电路(25)、第二驱动电路(26)；

送丝系统控制及接口电路(22)与送丝系统(3)相连，单片机控制系统(21)与送丝系统控制及接口电路(22)相连，从而实现在焊接过程中控制送丝速度V的目的；

单片机控制系统(21)还与人机交互界面(23)相连，用于更改焊接参数和监测焊接的实际数据；

单片机控制系统(21)还与第一驱动电路(24)相连，第一驱动电路(24)与逆变电路(1102)相连，通过发出PWM信号来控制第一驱动电路(24)中的开关管的导通与关断，只要改变PWM信号的导通占空比，就调整主电流输出部分(11)的电流输出；

单片机控制系统(21)还与切换驱动电路(25)相连，切换驱动电路(25)与电流切换电路(1202)相连，控制电流切换电路(1202)中开关管的开关频率来改变高频脉冲电流的频率；

单片机控制系统(21)还与第二驱动电路(26)相连，第二驱动电路(26)与直流恒流源(1201)相连，通过控制直流恒流源(1201)中开关管的导通占空比来调整直流恒流源(1201)的输出Ip1；

单片机控制系统(21)还与直流恒流源(1201)的输出相连，用来接收处理高频脉冲电流峰值Ip2的反馈；

单片机控制系统(21)还与滤波电感(1105)的输出相连，用来接收处理主电流反馈；

单片机控制系统(21)还与焊接电源输出端(13)相连，用来接收处理焊接电压U和焊接电流I的反馈。