焊同步脉冲磁场控制的装置及方法

文档序号:3129452
焊同步脉冲磁场控制的装置及方法
【专利摘要】本发明是一种用于短路过渡CO2焊同步磁场控制的装置及方法,属于一种焊接电磁控制【技术领域】,特别涉及一种外加纵向同步磁场控制短路电弧熔滴过渡形态的焊接方法。其特征在于:提出一种同步磁场控制思想,即通过在短路过渡CO2焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段施加不同类型的磁脉冲,来满足短路过渡不同阶段对不同电流大小和电磁力的需要,尤其在小电流和中等电流下,在波形控制的基础上,能够通过施加同步磁场控制来促进熔滴的顺利快速过渡,实现降低飞溅、改善成形目标。
【专利说明】一种短路过渡002焊同步脉冲磁场控制的装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明属于一种焊接电磁控制【技术领域】,特别涉及一种外加纵向同步磁场控制短路电弧熔滴过渡形态和过渡过程的焊接方法。

【背景技术】
[0002](?气体保护焊自20世纪50年代问世以来,以其成本低、高效节能、操作简单、便于实现自动化而倍受关注。但是?:02焊由于熔滴过渡形式多以短路过渡为主,在施焊过程中存在飞溅大、焊缝成形差两大缺点。这不仅造成了焊丝大量熔化却熔敷率较低的浪费问题,而且大量的飞溅也导致了繁重的后续清渣工作,为实际生产带来了极大的不便。而且这两大缺点还限制了短路过渡(?焊在较大电流中厚板方面的进一步应用。为了解决飞溅和成形差的问题,人们从多方面进行了探索。从焊接材料及保护气方面看,虽然通过采用含有稀土(处1)微量元素或X、版1、83等活化元素的药芯焊丝或应用?:02与紅或者002与紅、!16及02的混合保护气体(1.1.1.2.焊)虽然改善了电弧形态,取得了降低飞溅的效果,但是却失去了(?焊固有的经济特点,焊接成本被大大增加。而在焊接设备方面,采用表面张力过渡(3丁10、控制液桥过渡(⑶”或冷金属过渡(0^)等波形控制技术取得了很好的效果,适于细丝薄板焊接,但始终没有解决根本矛盾,即液桥收缩过渡需要较大的电流,而减少飞溅希望较小的液桥电流,尤其在中等电流、电弧电压较高时熔滴呈现非轴向排斥过渡,飞溅增大的问题一直没能根本解决。为了更好的实现(?焊熔滴平稳顺利过渡,国内外学者进行了大量研宄,其中外加磁场就是一种有效方法。外加磁场不仅可以控制电弧形态和运动过程,对熔滴的形态、尺寸及过渡频率,液态金属的流动和结晶过程、内部晶粒组织尺寸形态都有非常重要影响。目前磁控焊接技术通常采用调节磁场工艺参数的方法来实现外加磁场对(?焊接过程的有效控制。在国外,有文献报道了外加纵向磁场大小及极性对(?焊和焊飞溅率的影响行为,其中当外加纵向磁场的大小为300(^1188且磁场极性为上~下3时,⑶2焊的飞溅被降至较低,而当磁场大小为500(^1188且极性为上3下~时,则焊的飞溅较低,可见磁场的大小以及极性对于降低(?焊飞溅的影响行为是存在一定规律的。在国内,有学者用纵向磁场控制(?气体保护焊飞溅,在不同焊接工艺参数下进行了外加纵向磁场控制下的002焊接实验,研宄表明,在一定的焊接规范下,外加纵向磁场能有效地控制(1)2焊短路过渡中的焊接飞溅,获得较好的工艺效果,同时存在一个最佳的磁场范围,在这个范围内,磁场对飞溅的控制效果较好。但是上述外加磁场大多是基于恒定和无序引入方式,未考虑在短路过渡不同阶段施加不同强度或频率的磁场等问题,也不能保证磁场与每个熔滴过渡过程同步。另外,对于磁控装置必须具有宽广的外磁场参数调节范围,并能对其进行精细调节,现有装置不能充分满足上述要求。基于上述认识,本发明针对上述亟待解决的问题展开研宄,提出一种外加同步磁场控制的思想,实现电磁控制从参数的粗糙调节到精确控制、从磁场的随机引入到有序控制。


【发明内容】

[0003]本发明的目的是提供一种可在短路过渡(?焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段通过施加不同类型的磁脉冲,以满足短路过渡不同阶段对不同电磁力的需要,尤其在小电流和中等电流下,能够通过施加同步磁场控制来促进熔滴的顺利快速过渡,实现降低飞溅、改善成形目标的同步磁场控制的装置及方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
一种用于短路过渡(?焊同步磁场控制的方法,其特征在于:该方法是按照如下步骤进行:
(1)由(?逆变焊接电源输出经二次开发获得的拟采取的焊接电流波形及电弧电压波形;
(2 )通过霍尔传感器检测由(?逆变焊接电源输出的电流脉冲,提取预置的焊接电流波形及电弧电压波形,获得短路过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的特征信息,作为同步磁场发生装置预置同步激磁电流波形的依据;
(3)由采用双逆变方法和单片机控制方法制作的同步磁场发生装置产生同步激磁电流供给安装在(?焊枪上的励磁线圈产生同步磁场来实现对短路过渡002焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的同步磁场控制。
[0005]在(1)步骤中的预置的焊接电流波形及电弧电压波形与普通波形控制的焊接电流波形及电弧电压波形一致,但是预置的焊接电流波形及电弧电压波形的频率,即熔滴过渡频率在合适的外加磁场作用下有所提高。
[0006](2)步骤中的由同步磁场发生装置输出的同步激磁电流具有直流、方波交流及脉冲输出波形形式,即可产生直流磁场、低频和高频脉冲磁场;励磁线圈由线圈、磁芯、隔热及冷却部件组成;同步磁场包括直流磁场、低频和高频脉冲磁场,其中低频脉冲磁场频率范围是:1~100取,其可使电弧扩张,并使电弧形态呈现扇形或钟罩形,高频脉冲磁场频率范围是:0.35~20狃2,其具有磁压缩电弧效应;同步脉冲磁场边缘部分强度范围是中间强度范围是;同步脉冲激磁电流范围是1~300八。
[0007]一种如上所述的用于短路过渡(?焊同步磁场控制的装置,其特征在于:该装置主要由(?逆变焊接电源、霍尔传感器、同步磁场发生装置、(1) 2焊枪、励磁线圈和焊接电缆组成;(?逆变焊接电源的正负极分别接至(?2焊枪和工件,霍尔传感器套在(1)2逆变焊接电源与工件之间的焊接电缆上,霍尔传感器的信号输出端与同步磁场发生装置的信号输入端相连,同步磁场发生装置的电流输出端与安装在(?焊枪上的励磁线圈相连。
[0008](?逆变焊接电源能够输出与普通波形控制的焊接电流波形及电弧电压波形一致但频率较高的预置焊接电流波形及电弧电压波形。
[0009]同步磁场发生装置具有激磁电流大小、磁场频率及励磁线圈温度显示功能及提供连续调节的直流电功能,其能够产生同步激磁电流供给安装在(?焊枪上的励磁线圈产生同步磁场来实现对短路过渡(?焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的同步磁场控制。
[0010]由线圈、磁芯、隔热及冷却部件组成的励磁线圈,由激磁电流产生的同步磁场,包括直流磁场、低频和高频脉冲磁场,其中低频脉冲磁场频率范围是:1~100!!2,高频脉冲磁场频率范围是:0.35~20狃2。
[0011]本发明的优点:本发明针对短路过渡(?焊熔滴过渡过程包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的各阶段的特征信息,具体实施如下同步磁场控制:在燃弧和熔滴形成期间,施加一个低频磁脉冲,使得电弧扩张,弧根斑点上移,减小电弧斑点压力对熔滴的阻碍作用,进而降低大电流时熔滴非轴向排斥过渡可能性;在液桥形成段在焊接电流降低的情况下,通过施加一个较大高频磁脉冲,促使液桥形成并快速形成缩颈;在缩颈段,液桥爆断前,焊接电流迅速下降以防止能量在液桥上的过分聚集。小电流焊接时,由于熔滴体积小,在此时可通过表面张力过渡拉断液桥,但大电流焊接时,熔滴太大,完全依靠表面张力过渡已不足以拉断液桥,此时施加一个高强磁脉冲,其产生的电磁力与表面张力一起促使熔滴平稳脱落。采用同步磁场控制可使熔滴过渡频率在合适的外加磁场作用下有所提高,并有望解决液桥收缩过渡需要较大电流,而减少飞溅需要较小电流的根本问题以及大电流时飞溅问题。

【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1为同步磁场控制下的短路过渡002焊接系统示意图。
[0013]图中标注:1一一(?逆变焊接电源、2—一霍尔传感器、3—一同步磁场发生装置、4一一 (?焊枪、5一一励磁线圈、6一一工件、7一一焊接电缆及8一一焊丝。

【具体实施方式】
[0014]实施例一
同步磁场控制下的短路过渡(?焊接系统组成具体包括40 2逆变焊接电源1、霍尔传感器2、同步磁场发生装置3、(?焊枪4、励磁线圈5、工件6、焊接电缆7及焊丝8。其中一种用于短路过渡(?焊同步磁场控制的装置包括40 2逆变焊接电源1、同步磁场发生装置3及励磁线圈5组成。其特征在于:(?逆变焊接电源1能够输出与普通波形控制的焊接电流波形及电弧电压波形一致但频率较高的预置焊接电流波形及电弧电压波形;同步磁场发生装置3具有激磁电流大小、磁场频率及励磁线圈温度显示功能及提供连续调节的直流电功能,其能够产生同步激磁电流供给安装在(?焊枪4上的励磁线圈5产生同步磁场来实现对短路过渡(?焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的同步磁场控制,其输入电压是2207交流电,输出同步激磁电流范围是1~300八,其负载是由线圈、磁芯、隔热及冷却部件组成的5励磁线圈,由激磁电流产生的同步磁场包括直流磁场、低频和高频脉冲磁场,其中低频脉冲磁场频率范围是:1-100?,高频脉冲磁场频率范围是:0.35-20^0 (?气体保护焊采用负极性电源接法。即002逆变焊接电源1的正极接(?焊枪4,负极接工件6。
[0015]该方法是按照如下步骤进行:
(1)由(?逆变焊接电源1输出的拟采取的电流脉冲,其具体包括:在短路过渡的每个周期开始即燃弧段(?逆变焊接电源1给焊丝施加一个较大的窄焊接电流脉冲,以便引弧并促使焊丝熔化;在熔滴形成段施加一个较宽的恒电流脉冲,以便每个周期都能形成一定体积(即一定熔滴尺寸)的熔滴;在熔滴短路及液桥形成段降低焊接电流,并在随后的液桥收缩段升高焊接电流;在液桥爆断前迅速降低电流,并在随后的电弧复燃段施加一个高且宽的恒电流脉冲,目的在于使电弧稳态复燃。
[0016](2)通过霍尔传感器2检测由(?逆变焊接电源1输出的拟采取的电流脉冲,提取预置的焊接电流波形及电弧电压波形,获得短路过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的特征信息,作为同步磁场发生装置3预置同步激磁电流波形的依据;
(3)由同步磁场发生装置3产生同步激磁电流供给安装在(?焊枪4上的励磁线圈5产生同步磁场来实现对短路过渡(?焊熔滴过渡过程中不同阶段的同步磁场控制。其具体包括:在燃弧段施加一个较宽的低频磁脉冲,使电弧扩张呈扇形或钟罩形,并持续到熔滴形成段;在熔滴形成段,施加一个直流或低频磁脉冲将促使电弧弧根扩展,阳极斑点上移,减小电弧对熔滴压力;然后在熔滴短路及液桥形成段焊接电流下降时迅速加一个窄且大的磁脉冲,一方面促使液桥收缩,另一方面增加输入的热量,以防此时因热输入降低而影响成型,造成熔池金属铺展性差,余高过大,熔宽不足,影响中厚板焊接,这时加入磁脉冲的目的是促使液桥形成;缩颈段是液桥缩颈爆破前期,焊接电流快速降低,能量减少,此时施加一个强度较大的高频磁脉冲,该高强磁脉冲产生的电磁力与表面张力一起促使熔滴过渡,高强磁脉冲持续到能量减少段。
[0017](4)熔滴脱落后,进入再引弧段,重复上述过程,直至完成焊接工作。
[0018]在(1)步骤和(3)步骤中由(?逆变焊接电源1输出的焊接电流波形及电弧电压波形和由同步磁场发生装置3输出的同步激磁电流波形是针对短路过渡(?焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段同步输出的。
[0019]在(1)步骤中的由(?逆变焊接电源1输出的预置焊接电流脉冲波形及电弧电压脉冲波形与普通波形控制的焊接电流波形及电弧电压波形一致,但是预置的焊接电流波形及电弧电压波形的频率即熔滴过渡频率在同步脉冲磁场作用下有所提高。
[0020]在(3)步骤中同步磁场中的低频磁场频率范围是:1~100!!2,高频磁场频率范围是:0.35-20^0同步磁场边缘部分强度范围是中间强度范围是:5~121111。焊接电流范围是:130~220八。本发明方法的具体实施步骤如下:
步骤一:根据焊接工件的材质、板厚(或壁厚)以及焊接速度要求,选择(1)2焊接工艺参数,如焊接电流、电弧电压、保护气((?)流量、焊丝型号及伸出长度、坡口形式及角度等。
[0021]步骤二:将(?逆变焊接电源1的正负极分别接至⑶2焊枪4和工件6 ;将霍尔传感器2套在(?逆变焊接电源1与工件6之间的焊接电缆7上;将霍尔传感器2的信号输出端与同步磁场发生装置3的信号输入端相连;将同步磁场发生装置3的电流输出端与安装在(?焊枪4上的励磁线圈5相连。
[0022]步骤三:开启(?逆变焊接电源1、霍尔传感器2及同步磁场发生装置3进行002焊接操作。
[0023]步骤四:由霍尔传感器2检测由(?逆变焊接电源1输出的拟采取的电流脉冲,提取预置的焊接电流波形及电弧电压波形,获得短路过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的特征信息,作为同步磁场发生装置3预置同步激磁电流波形的依据。
[0024]步骤五:在燃弧段和熔滴形成段,由(?逆变焊接电源1给焊丝分别施加一个较大的窄焊接电流脉冲和一个较宽的恒电流脉冲,以便引弧并促使焊丝熔化形成一定体积(即一定熔滴尺寸)的熔滴,而在燃弧和熔滴形成期间同步磁场发生装置3将对励磁线圈5施加一个低频激磁电流产生一个低频磁场即低频脉冲电磁力,使得电弧扩张,弧根斑点上移,减小电弧斑点压力对熔滴的阻碍作用,进而降低大电流时熔滴非轴向排斥过渡可能性;在液桥形成段,(?逆变焊接电源1将降低焊接电流,与此同时,同步磁场发生装置3通过对励磁线圈5施加一个较大高频激磁电流产生一个较大高频磁场即较大高频脉冲电磁力,促使液桥形成并快速形成缩颈;在缩颈段(?逆变焊接电源1将施加一个具有一定斜率的脉冲焊接电流促进液桥收缩,与此同时,同步磁场发生装置3将降低激磁电流以防止能量的过剩聚集;而在液桥爆断前,(?逆变焊接电源1将迅速降低焊接电流以防止能量在液桥上的过分聚集的同时由同步磁场发生装置3通过对励磁线圈5施加一个高强激磁电流产生一个高强磁场即高强脉冲电磁力,其将与表面张力一起促使熔滴平稳脱落。以此完成对(?焊熔滴短路过渡过程一个周期多脉冲同步磁场控制。
[0025]步骤六:重复上述焊接过程,直至全部工作完成。
[0026]在步骤一中的焊接速度的调节范围为:3.5-5.5111/111111
步骤五中的同步磁场中的低频磁场频率范围是:1~100!!2,高频磁场频率范围是:0.35-20^0同步磁场边缘部分强度范围是:10~281111,中间强度范围是:5~121111。同步激磁电流范围是1~300八。电磁力的大小和方向由激磁电流的大小和方向决定。
【权利要求】
1.一种用于短路过渡CO 2焊同步磁场控制的方法,其特征在于:该方法是按照如下步骤进行: (1)由co2逆变焊接电源(1)输出经二次开发获得的拟采取的焊接电流波形及电弧电压波形; (2 )通过霍尔传感器(2 )检测由0)2逆变焊接电源(1)输出的电流脉冲,提取预置的焊接电流波形及电弧电压波形,获得短路过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的特征信息,作为同步磁场发生装置(3)预置同步激磁电流波形的依据; (3)由采用双逆变方法和单片机控制方法制作的同步磁场发生装置(3)产生同步激磁电流供给安装在C02焊枪(4)上的励磁线圈(5)产生同步磁场来实现对短路过渡0)2焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的同步磁场控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于短路过渡C02焊同步磁场控制的方法,其特征在于:在(1)步骤中的预置的焊接电流波形及电弧电压波形与普通波形控制的焊接电流波形及电弧电压波形一致,但是预置的焊接电流波形及电弧电压波形的频率,即熔滴过渡频率在合适的外加磁场作用下有所提高。
3.根据权利要求1所述的一种用于短路过渡C02焊同步磁场控制的方法,其特征在于:在(2)步骤中的由同步磁场发生装置(3)输出的同步激磁电流具有直流、方波交流及脉冲输出波形形式,即可产生直流磁场、低频和高频脉冲磁场;励磁线圈(5)由线圈、磁芯、隔热及冷却部件组成;同步磁场包括直流磁场、低频和高频脉冲磁场,其中低频脉冲磁场频率范围是:l~100Hz,其可使电弧扩张,并使电弧形态呈现扇形或钟罩形,高频脉冲磁场频率范围是:0.35~20KHz,其具有磁压缩电弧效应;同步脉冲磁场边缘部分强度范围是:10~28mT,中间强度范围是:5~12mT ;同步脉冲激磁电流范围是1~300A。
4.一种如权利要求1所述的用于短路过渡0)2焊同步磁场控制的装置,其特征在于:该装置主要由0)2逆变焊接电源(1)、霍尔传感器(2 )、同步磁场发生装置(3 )、C0 2焊枪(4 )、励磁线圈(5 )和焊接电缆(7 )组成;0)2逆变焊接电源(1)的正负极分别接至C0 2焊枪(4)和工件(6 ),霍尔传感器(2 )套在C02逆变焊接电源(1)与工件(6 )之间的焊接电缆(7 )上,霍尔传感器(2)的信号输出端与同步磁场发生装置(3)的信号输入端相连,同步磁场发生装置(3)的电流输出端与安装在C02焊枪(4)上的励磁线圈(5)相连。
5.根据权利要求4所述的一种用于短路过渡0)2焊同步磁场控制的装置,其特征在于:C02逆变焊接电源(1)能够输出与普通波形控制的焊接电流波形及电弧电压波形一致但频率较高的预置焊接电流波形及电弧电压波形。
6.根据权利要求4所述的一种用于短路过渡0)2焊同步磁场控制的装置,其特征在于:同步磁场发生装置(3)具有激磁电流大小、磁场频率及励磁线圈温度显示功能及提供连续调节的直流电功能,其能够产生同步激磁电流供给安装在C02焊枪(4)上的励磁线圈(5)产生同步磁场来实现对短路过渡C02焊熔滴过渡过程中包括燃弧熔滴形成段、熔滴短路及液桥形成段、缩颈及能量减小段在内的不同阶段的同步磁场控制。
7.根据权利要求4所述的一种用于短路过渡0)2焊同步磁场控制的装置,其特征在于:由线圈、磁芯、隔热及冷却部件组成的励磁线圈(5),由激磁电流产生的同步磁场,包括直流磁场、低频和高频脉冲磁场,其中低频脉冲磁场频率范围是:l~100Hz,高频脉冲磁场频率范围是:0.35~20KHzo
【文档编号】B23K9/16GK104475923SQ201410739393
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】常云龙, 路林, 梅强 申请人:沈阳工业大学
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