双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法

专利名称：：双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法
技术领域：
：本发明涉及一种窄间隙焊接方法，属于焊接工艺
技术领域：
。技术背景窄间隙焊接技术是一种高质量，高生产率，低生产成本的特别工业技术，从技术角度上看，其诸多的技术优越性决定着该技术在除薄板外的所有厚板范围内均有极大的诱惑力，从经济角度看，窄间隙焊接技术的确存在一个经济板厚的问题。一般来讲，板厚越大，其经济效益越大。窄间隙焊接主要包括两种，一种是熔化极气体保护焊(GMAW),此方法在工业发达国家中广泛应用(技术文献比例高达70%左右)，该方法容易采用中低线能量(20KJ/cm),可釆用更小的根部间隙，易于釆用多层多道熔敷且无需清渣等。其次是埋弧焊方法，该方法对焊丝在坡口中的作用位置不像GMAW方法那样敏感，适用工艺规范较宽，工艺可靠性优异，焊接作业环境更趋"绿色化"，但其焊接线能量大(一般在30—50kJ/cm),接头的塑、韧性差，重要结构上应用该技术必须进行焊后热处理，成本较高。同样在窄间隙条件下，两种技术都面临着同样的问题，就是电弧轴线与坡口面(以下称侧壁)平行，电弧本身很难与之发生作用，这就导致了侧壁熔合的可靠性差(低线能量的GMAW极为突出)这是窄间隙焊接的最大困难，也是本专利要解决的关键问题。在2005年上海举办的能源工程焊接国际论坛上法国法码通公司介绍的"Narrow-GrooveMechanizedArcWelding-AdvancedWeldingTechniques"技术通过使用旋转式窄间隙焊枪，在焊接过程中利用机械机构使焊丝在熔池上端进行360°旋转，从而解决了侧壁融合的问题，得到了大会的认可，但是由于使用这种旋转式的焊枪增加了机械设备，使整个焊接系统趋于复杂，同时由于其焊接速度要与旋转速度配合才能充分保证熔深，在焊接的效率上表现不佳。另外，由哈尔滨焊接研究所林尚扬院士主持研制的名为双丝窄间隙埋弧焊方法(专利编号85104150)的专利技术，也是在焊枪的形状和功能上做文章，其双丝焊枪的设计很是巧妙，其前丝的焊嘴斜指向侧壁，后丝则垂直向下，使两丝在空间中形成异面结构，同样得到了社会的认可。这两种技术只是通过机械的方法改善了焊枪电弧与侧壁的接触，并没有看到电弧自身的作用力在解决侧壁熔合问题中的作用。
发明内容本专利通过将直流焊接与交流焊接相结合，提出一种双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法。通过双丝交直流焊接控制器控制交流电弧与直流电弧的作用力，具体控制思想是使直流焊丝端接正，同时工件接负，当交流焊丝端为正电压时，控制直流焊机产生脉冲基值，这样两电弧产生的电弧引力最小，当交流电弧处于负电压时，控制直流焊机产生脉冲峰值，这样两电弧产生的电弧斥力最大，即通过控制两焊丝电流脉冲，控制焊接电弧力，使电弧之间斥力最大化，引力最小化，当两电弧处在斥力阶段时，斥力尽可能的被放大，所以两电弧极度偏向侧壁，这样就保证了侧壁的熔合，当电弧处于引力之时，由于引力尽可能被减小，使电弧保持一定的挺度，保证了熔深。一种双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法，包括如下步骤步骤一连接设备，调节交流电焊机参数，频率为工频50Hz，交流电压有效值取值范围35-90V;步骤二将双丝交直流焊接控制器的控制端与直流电焊机的电位器给定端连接；步骤三给定直流脉冲的基值电压，范围为16~22V,给定直流脉冲的峰值电压，峰值电压范围为28-40V;步骤四两焊丝送丝速度给定，范围l~15m/min;步骤五将控制器的检测端与交流电焊机连接，获得电压信号；步骤六电压信号经检测模块处理为检测信号，两路低电平信号输入控制模块；步骤七经控制模块计算，生成直流脉冲控制信号输出到控制端；步骤八调节控制器模式，使之运行在脉冲输出模式，输出设计要求的脉冲信号；步骤九施焊，电弧随即产生相斥最大，相吸最小的受力状态，电弧最大限度偏向侧壁解决侧壁融合问题。本专利使用了直流电焊机、交流电焊机，以及双丝交-直流焊接控制器，该控制器包括两个模块，一是交流检测模块，另一个是直流脉冲控制模块，本控制器的基本控制思想是，通过检测交流电流的正负半周，来控制直流电流的脉冲信号，从而控制两电弧的电弧力，使两电弧的斥力最大而引力最小，利用电弧之间的斥力来解决侧壁熔合的问题。本发明相对于现有技术，有如下优点(1)在交流电弧与直流脉冲电弧的作用之下，两电弧左右摆动，使电弧的中心区域可以作用到窄间隙焊缝的侧壁，改善侧壁的融合，就解决了侧壁融合不好的传统问题。(2)本系统不添加任何机械设备的同时利用电弧自身的作用力，解决侧壁融合问题，是整个机构的结构简单化，通用性强，设备的可靠性也相应提高。(3)本系统的双丝配置使系统的焊接效率大幅提升，满足了当今对高效化焊接的要求。(4)电弧脉冲的周期性变化，使得电弧本身的作用力周期性变化，这种作用里对熔池有明显的震荡作用，这种作用使得晶粒细化，提高了接头的力学性能。(5)本专利既可以釆用气体保护焊的明弧焊方法，又可以釆用埋弧焊的方法，适用性广泛。本专利釆用了双丝配置，效率提高明显，最重要的是本专利利用两电弧之间的作用力来保证了侧壁熔合，使焊接设备的可靠性提高，便于维护。图l控制器方框图；图2电压釆集滤波电路；图3电压过零电路；图4标准微分电路；图5分压隔离及半波整流电路；图6控制端输出信号波形；图7运放LM324;图8反相器MC14584BCP;图9控制器中AT89C2051的复位及时钟电路；图10显示译码驱动电路；图ll数码管选片译码驱动电路；图12键盘接口电路；图13光电耦合器示意图；图中l,3代表ANODE;2，4代表CATH0DE;5，7代表EMITTER;6,8代表COLLECTOR;图14控制器电路原理图；图15第一组参数的电压电流波形对比图；图16第二组参数的电压电流波形对比图；图17双丝交-直流焊接控制器焊接过程示意图；具体实施方式在本发明的试验中，采用的主要设备为直流电焊机一台，交流电焊机一台，送丝机两台，双丝交一直流焊接控制器一台，焊丝若干。本控制器采用了模块化设计，分两个模块，即交流检测模块，以下称检测模块，直流电焊机脉冲控制模块，以下称控制模块，检测模块釆用了以模拟电路为主的设计方法，控制模块采用了以MCU单片机为核心的数字结构，共有3个工作模式，可以分别使焊接电源以恒定峰值电压模式(model)、恒定基值电压模式(mode2)、峰值-基值脉冲电压模式(mode3)输出，可以在实际操作中灵活选用。整个控制器釆用了"黑匣子"模式，接口简洁，设备的产品化程度较高。控制器的方框图，如图1所示。检测模块(1).电压采集滤波电路滤波电路釆用了有无源原件R、C与集成运算放大器构成的由原滤波电路，本控制器检测的交流频率范围在10200Hz,考虑到交流电弧的电压波动严重本设计釆用低通滤波电路，设计上限为500Hz,交流电焊机的最高空载电压大约为100v左右，所以釆集进来的电压需要先进行分压和滤波，为了增强滤波效果，本电路釆用了两级滤波，一级有源滤波和一级有源滤波，电压采集滤波电路如图2所示。(2)电压过零比较电路及微分电路本课题中要采集到交流电弧的电压过零信号，故采用电压过零比较电路。微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。由电压釆集滤波电路进来的电压，送到电压过零比较电路，经过运算放大器进行过零比较运算，再经过微分电路，输出为正半波过零瞬间的正脉冲信号和负半波过零瞬间的负脉冲信号。电压过零比较电路的电路如图3所示。典型的微分电路有图4所示。(3)分压隔离及半波整流电路由于前级电路输出的电压超出了单片机的输入电压，所以首先应进行分压，然后再把脉冲信号送到电压跟随器中。电压跟随器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用。由电压跟随器出来的电压，再进行正负脉冲信号的分离。具体电路是通过半波整流实现的，具体见图5。(4)稳压及反相电路为了确保输入给单片机的电压为5V,在两路中都添加5V的稳压管进行稳压。由于所选的单片机触发信号为低电平触发，所以上述电路输出的脉冲信号应经过反相器进行反相后，才能成为单片机有效的触发信号。反相器使用反相器MCH584BCP原件，图6为检测模块输出的检测信号，为两个有相位差的低电平信号。(5)检测电路的硬件选择由上述电压过零检测电路各部分电路的功能，可知硬件部分可用到四个运算放大器，两个二极管，两个稳压管以及两个反相器。综合上述功能结合实际应用，本课题设计的电压过零检测电路的硬件部分选择运放LM324,二极管1N4148,稳压管1N4007及反相器MC14584BCP。图7、图8分别为运放LM324和反相器MC14584BCP结构框图。控制模块(1)MCU:MCU釆用AT89C2051,是控制电路的核心。内置2KFLASH程序存储器及128字节内部RAM。AT89C2051带有2个I/O口，Pl和P3。Pl口用作数码管扫描及驱动。P3口用作键盘和脉冲控制端口。(2)显示显示部分釆用了3位八段数码管。其中，可以显示当前焊接脉冲频率，范围为l~500Hz;另外，利用后两位(第2、3位数码管)的小数点分别监视两个脉冲控制位的三种工作状态第2位数码管小数点常亮(model)、第3位数码管小数点常亮(mode2)、第2、3位数码管小数点根据实际频率参数交替点亮(mode3)。可直观、形象地表示出脉冲控制器的运行状态。图10显示译码驱动电路图11数码管选片译码驱动电路。(3)键盘键盘-由2个按键组成Reset、Mode。其中，Reset为MCU复位键，使控制器恢复到默认参数；Mode键为脉冲控制器工作状态选择键，循环选择3个状态恒定峰值焊接电压输出(model)、恒定基值焊接电压输出(mode2)、峰值-基值脉冲焊接电压输出(mode3)。(4)电压给定焊接电压通过两个独立的电位器，分别给定峰值电压和基值电压信号。(5)接口开关本部分是一组光电耦合器构成的电子开关，其作用是根据MCU的控制信号，分别将峰值电压和基值电压给定信号送到焊机的控制接口端子。交流电焊机的电压有效值可以取3590v之间，频率为工频50Hz。配合直流电焊机峰值电压在28-40v左右，基值电压在16-22v之间，送丝速度在l-15(m/min)之间，焊丝直径可以选用当今巿场常见的1.2、1.6mm的焊丝，焊丝牌号按具体条件不同选择，可以稳定焊接。控制模块通过采样模块使直流脉冲频率与交流频率相同，具体参数见下表。第一组和第二组电流电压波形图见附图15和16。表一部分焊接参数<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1、一种双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法，包括如下步骤步骤一连接设备，调节交流电焊机参数，频率为工频50Hz，交流电压有效值取值范围35～90V；步骤二将双丝交直流焊接控制器的控制端与直流电焊机的电位器给定端连接；步骤三给定直流脉冲的基值电压，范围为16～22V，给定直流脉冲的峰值电压，峰值电压范围为28～40V；步骤四两焊丝送丝速度给定，范围1～15m/min；步骤五将控制器的检测端与交流电焊机连接，获得电压信号；步骤六电压信号经检测模块处理为检测信号，两路低电平信号输入控制模块；步骤七经控制模块计算，生成直流脉冲控制信号输出到控制端；步骤八调节控制器模式，使之运行在脉冲输出模式，输出设计要求的脉冲信号；步骤九施焊，电弧随即产生相斥最大，相吸最小的受力状态，电弧最大限度偏向侧壁解决侧壁融合问题。全文摘要本发明涉及一种窄间隙焊接方法，属于焊接工艺
技术领域：
。一种双丝窄间隙交-直流脉冲协调电弧焊方法，包括如下步骤连接设备，调节交流电焊机参数；将双丝交直流焊接控制器的控制端与直流电焊机的电位器给定端连接；给定直流脉冲的基值电压，给定直流脉冲的峰值电压；两焊丝送丝速度给定，范围1～15m/min；将控制器的检测端与交流电焊机连接，获得电压信号；电压信号经检测模块处理为检测信号，输入控制模块；经控制模块计算，生成直流脉冲控制信号输出到控制端；调节控制器模式，使之运行在脉冲输出模式，输出设计要求的脉冲信号；施焊。本发明利用两电弧之间的作用力来保证了侧壁熔合，使焊接设备的可靠性提高，便于维护。文档编号B23K9/10GK101161393SQ20071015017公开日2008年4月16日申请日期2007年11月14日优先权日2007年11月14日发明者鹏刘,勃孙,丹曲,桓李,杨战胜,杨立军,陆权森,莹高申请人:天津大学