大电流CO₂焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法

专利名称：大电流CO₂焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法
技术领域：
本发明属于熔化极气体保护焊接方法，尤其涉及一种大电流co2焊接过程中的熔 滴定时强制短路过渡控制方法。
背景技术：
在熔化极气体保护焊接(GMAW)中，无论是C02弧焊，还是MAG焊接、MIG焊接，熔滴 过渡是影响焊接稳定性的重要因素。专利87103550. 2提供了控制短路型焊接系统的方法 和装置，焊接电流使焊丝在短路状态和电弧状态中间变化，在短路状态期间发生金属转移， 从而相应地减少飞溅并且减少溅洒颗粒飞溅的距离。专利200410034849. 7提供了用于降 低短路过渡气体保护焊飞溅的方法和系统，使短路液桥在小电流的条件下柔顺过渡，降低 焊接飞溅。专利200810063890. 5同样提出的是涉及短路电弧焊接中使用的焊接电源装置 的输出控制方法。但是，以往的研究表明，短路过渡条件下降低焊接飞溅的方法，在非短路 过渡的条件下并不适用。例如 1. 2焊丝，焊接电流在200A以上，熔化极气体保护焊接特 别是0)2焊接，熔滴呈排斥状，已经不是短路过渡的状态，由于无法通过检测短路过渡电弧 来准确切换焊接电流、控制熔滴过渡频率，因而带来焊接稳定性差、焊接飞溅大等问题。传统的气体保护焊接系统由焊接电源、送丝装置、气体保护焊枪等构成。在小于极 值电流的低焊接电流区域，焊接过程处在短路过渡状态下，熔滴与熔池接触形成短路液柱， 通过控制短路电流使短路液桥在较小的爆破力下破断，同时伴随着较小的飞溅。但是在极 值电流附近区域，即焊接电流较大、电弧电压较高时，焊接过程处在含有瞬时短路过渡的排 斥颗粒过渡状态下，焊接飞溅量最大。通常在极值电流附近区域的气体保护焊接，尤其是 小1. 2焊丝、200A 280A的C02焊接，这是工业上应用最普遍的焊接规范，恰恰存在焊接飞 溅最大、焊接质量最难以控制的问题。究其原因，这主要是由于在极值电流附近区域的非短路过渡时，焊接电流较大、电 弧电压较高，熔滴不再有规律的发生短路，电弧对熔滴产生排斥作用，熔滴在重力和随机变 化的表面张力、电磁力、阳极斑点压力的作用下，随电弧飘摆，以自由飞落形式过渡。焊丝端 头长大的熔滴在排斥力的作用下被急剧抬起，其重心高于短路液桥的位置，同时由于焊接 电流通过该短路液桥产生较大爆破力，该液滴发生旋转沿非轴线方向飞出，会引起大颗粒 飞溅。在这种随机性的排斥颗粒过渡状态下，熔滴的运动失去规律、失去稳定，是很难控制 的。为了解决以上问题，近年来在气体保护焊接领域应用的脉冲MIG焊接和脉冲MAG 焊接系统，通过一脉一滴或一脉多滴的熔滴过渡的控制，稳定了射滴过渡过程。但是这种焊 接方法可调节的焊接参数区域很窄，控制系统复杂，仅仅适用于MIG焊接(熔化极惰性气体 保护弧焊接)或MAG焊接(活性气体保护弧焊接，85%氩气和15%二氧化碳的混合气体保 护)，不能适用于应用最广泛的C02气体保护焊接。所以，在MIG焊接、MAG焊接及控制难度 最大的C02气体保护焊接中，如何直接准确的控制熔滴的作用力、控制熔滴的尺寸和过渡时 间，一直是气体保护焊接领域里关心的难题。
一般来说，对于非短路过渡气体保护焊接，金属熔滴受到的作用力越有规律、形成 熔滴的尺寸越一致、熔滴过渡的时间和频率越恒定，越有利于获得稳定的焊缝成形和降低 焊接飞溅。那么，由此产生的问题是在非短路过渡气体保护焊接过程中，如何克服金属熔 滴受到的随机的排斥力，提高熔滴尺寸的一致性，提高熔滴过渡的时间和频率的一致性，以 获得良好的焊接效果。

发明内容
在大焊接电流的CO2焊接过程中，熔滴呈排斥状，熔滴过渡的随机性和分散性，每个熔滴的过渡过程都不相同，预置电流波形难以跟每个熔滴过渡过程同步和适应，在波形 控制中缺乏短路液桥收缩状态的准确检测，电流控制缺乏依据，因而带来焊接稳定性差、焊 接飞溅大等问题。本发明针对这一问题，提供一种大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制 短路过渡控制方法，为进一步的实现更好的波形控制策略提供必要条件。在传统熔化极气体保护焊中，熔滴是在重力、表面张力、电弧力(主要包括电磁收 缩力、等离子流力、斑点力等)、熔滴爆破力以及电弧的气体吹力共同作用下进行过渡的。本 发明的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法基于对影响熔滴过渡的各 种作用力进行控制的思想，对上述影响熔滴过渡的作用力基础上主动加入焊丝正反运动对 熔滴产生的机械力，强制熔滴进行短路过渡，进而实现对焊接过程进行精密控制。本发明提供的方法是一种大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方 法。在现有CO2焊接过程中，通过对焊丝运动方向的控制，使得在传统大电流CO2焊接过程中 的熔滴非短路过渡强制实现熔滴短路过渡，每滴熔滴质量相等，每次熔滴实现短路的过渡 时间相等；焊丝正向往前运动过程中，焊丝对熔滴产生一定的加速度，即对熔滴的过渡过程 产生一个附加的机械力，使得焊丝正向往前运动时强制熔滴与熔池发生短路，发生短路后， 改变焊丝的运动方向，实现焊丝反向往回运动，靠焊丝反向往回运动的机械力拉断熔滴；焊 丝正反运动一次熔滴短路过渡一次，熔滴实现一步一滴的平稳过渡，其过渡频率取决于焊 丝正反运动的频率，通过焊丝正反的运动状态能判断熔滴短路开始和熔滴短路结束时刻， 依靠控制焊丝稳定的正向往前运动和反向往回运动，保证焊丝每次正向往前运动的距离相 等，每次反向往回运动的距离相等，正向往前运动的距离大于反向往回运动的距离，熔滴总 体送进，从而可以保证熔滴过渡频率稳定且可控，熔滴颗粒大小均勻；焊丝正反运动的速度 在一个周期内近似正弦波变化或者近似方波变化；焊丝正向运动的距离为1. 5 6mm，反向 运动的距离为0. 25 3mm ；焊丝正反运动的频率为25 100HZ，即熔滴的过渡频率为25 100HZ。对于小电流CO2焊接，本发明提供的控制方法可以使现有的熔滴短路过渡更具规 律性，过渡频率更加稳定而且可控，该方法同样适用于小电流CO2焊接。本发明的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法通过控制焊丝 的运动方向，在焊接电流超过200A以上的大电流熔滴主动实现强制短路过渡，短路过渡的 频率恒定。波形控制可以在一个很宽的范围内完成，为实现较好的波形控制策略提供了必 要条件。


图1是液桥失稳破断过程示意图 图2是本发明的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法的原理图具体实施方法结合附图，下面将进一步描述本发明的具体实施方法。在传统熔化极气体保护焊中，熔滴是在重力、表面张力、电弧力(主要包括电磁收 缩力、等离子流力、斑点力等)、熔滴爆破力以及电弧的气体吹力共同作用下进行过渡的。本 发明的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法基于对熔滴过渡中各种作 用力进行控制的思想，对上述影响熔滴过渡的作用力基础上主动加入焊丝正反运动对熔滴 产生的机械力，强制熔滴进行短路过渡，进而实现对焊接过程进行精密控制。焊丝在正向 往前运动过程中会对熔滴产生一定的加速度，即对熔滴的过渡过程产生一个附加的机械外 力，焊丝往前运动过程中强制熔滴与熔池发生短路，焊丝反向往回运动时又强行拉断液桥， 从而使得熔滴在很小的短路电流下即可顺利地完成一步一个熔滴的过渡。图1是液桥失稳破断过程示意图。如图1所示，任何一种液态物质在一定条件下 都是以圆柱体形式(相当于熔滴的液桥)稳定存在的。当材料种类、温度、周围介质、液态 物质质量和固态物体接触面积等条件一定时，则主要决定液桥稳定的条件是R/L(液桥直 径R与液桥长度L的比)。从外界能够影响液桥稳定的因素只有液桥长度L和液桥最小直 径R。一般为了防止液桥发生爆断，在液桥接近失稳破断的时刻电流值应尽量小，所以影响 液桥是否失稳破断的外界条件只有是液桥长度L。因此在一定条件下，都存在一个液桥失稳 破断的极限长度Lmax。当液桥将失去稳定而自动破断，不需要其他任何力的帮助，熔滴就可 平稳过渡到熔池。焊丝反向往回运动的熔滴控制方法促使L >= Lmax条件更快和更容易 地实现，从而使熔滴更平稳可靠的过渡。图2是本发明的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法的原理 图。如图2所示，A C、E G为燃弧阶段，C E为短路阶段。1、在A C阶段(燃弧阶段)，焊丝1正向往前运动，电弧3稳定燃烧，电弧热熔 化焊丝金属，积聚一定量的液态金属，形成熔滴2。同时也加热熔池金属，使之保持一定的 温度及金属流动性，为熔滴2与熔池4接触、过渡、润湿准备好条件。在A点，焊丝1处于最 高点，此时焊丝1的运动由反向运动转为正向运动，焊丝运动速度为零；在B点，焊丝1继续 正向往前运动，电弧3长度较A点变短；在C点附近，焊丝1运动虽处于送进晚期，但焊丝1 对熔滴2产生一定的加速度，即对熔滴2的过渡过程产生一个附加的机械力，由于焊丝的送 进及熔化的金属逐渐增加，熔滴2的端部较小的面积首先与熔池4表面接触使，焊丝往前运 动时强制熔滴2与熔池4发生短路。发生短路后电弧熄灭。2、在C E阶段(短路阶段)，熔滴2已经短路，电弧3熄灭。在C D阶段，焊 丝1继续往下运动。在C点之后，熔滴2与熔池4接触处由于表面张力的作用和焊丝继续 往前运动的作用，迅速由较小的接触面而扩展到较大的接触面；在D点，焊丝1处于最低点， 此时焊丝的运动由正向运动转为反向运动，焊丝运动速度为零；在D E阶段，焊丝1反向 往回运动，准备依靠焊丝反向往回运动对熔滴2附加一个机械力强制拉断液桥。在E点，焊 丝继续反向往回运动，此时液桥长度L接近液桥失稳破断的极限长度Lmax，液桥即将失去 稳定而破断，短路即将结束。
3、在E G阶段(燃弧阶段)，电弧3自动再度引燃。在E点之后，焊丝1继续反 向往回运动，依靠焊丝反向运动对熔滴附加一个机械力强制拉断液桥，焊丝反向运动促使L >=Lmax条件更快和更容易地实现，迅速建立起熄灭的电弧。E点之后，电弧重新燃烧，液 桥断开的两端电压自动升高。在F点，此时由于电弧3重新燃烧，电弧又开始重新熔化金属 焊丝，形成新的熔滴2。当焊丝到达G点后，此时焊丝1又处于最高点，焊丝的运动方向将从 反向运动转为正向运动，此时焊丝的运动速度为零。从而重复上述A C熔滴过渡过程。在焊丝正反运动的一个周期内，焊丝正反运动一次熔滴短路过渡一次，实现一步 一滴的平稳过渡，其过渡频率取决于焊丝正反运动的频率，依靠控制焊丝稳定的正向运动 和反向运动，保证焊丝每次正向往前运动的距离与每次反向往回运动的距离稳定，正向往 前运动的距离大于反向往回运动的距离，熔滴总体送进，从而可以保证熔滴过渡频率恒定， 熔滴颗粒大小均勻。焊丝正反运动的速度在一个周期内近似正弦波变化；焊丝正向往前运 动的距离为1. 5 6mm，反向往回运动的距离为0. 25 3mm ；焊丝正反运动的频率为25 100HZ，即熔滴的过渡频率为25 100HZ。本发明的大电流C02焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法从理论和实践 上都被证明是一种更合理的短路过渡控制方法，大量工艺试验证明，这种方法不但可以显 著降低飞溅率，而且可以在较低的平均电流区间获得稳定的、低飞溅的短路过渡过程和较 满意的焊缝成型。由于这种控制方法原理上的更合理性，它的优越性在较粗焊丝的焊接时， 体现得更为突出。传统波形控制方法关于低飞溅的对应方式是与小电流领域也就是短路过渡领域 相关的控制方式为主，面对着超过200A以上大电流情况，熔滴的非短路过渡方式使得波形 控制方法无能无力。就是对于低于200A以下的焊接电流而言，熔滴过渡的随机性和分散 性，每个熔滴的过渡过程都不相同，预置电流波形难以跟每个熔滴过渡过程同步和适应，在 波形控制中缺乏短路液桥收缩状态的准确检测，电流控制缺乏依据。传统波形控制需要超 高速的数字控制技术作为支撑。本发明的大电流C02焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡 控制方法通过控制焊丝运动方向的方法，在焊接电流超过200A以上的熔滴主动实现强制 短路过渡，短路过渡频率稳定且可控。波形控制可以在一个很宽的范围内完成，为实现更好 的波形控制策略提供了必要条件。
权利要求
一种大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法，其特征是在现有CO2焊接过程中，通过对焊丝运动方向的控制，对影响熔滴过渡的现有各种作用力基础上主动加入焊丝正反运动对熔滴产生的机械力，使得在传统大电流CO2焊接过程中的熔滴非短路过渡强制实现短路过渡。
2.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝正向往前运动过程中，焊丝对熔滴产生一定的加速度，即对熔滴的过渡过程 产生一个附加的机械力，使得焊丝正向往前运动时强制熔滴与熔池发生短路，发生短路后， 改变焊丝的运动方向，实现焊丝反向往回运动，依靠焊丝反向往回运动的机械力拉断熔滴。
3.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝正反运动一次熔滴短路过渡一次，熔滴实现一步一滴的平稳过渡。
4.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是通过焊丝正反的运动状态能判断熔滴短路开始和熔滴短路结束时刻。
5.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是改变焊丝正反运动的频率，可以改变熔滴的短路过渡频率。
6.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝每次正向往前运动的距离大于每次反向往回运动的距离，熔滴总体送进，焊 丝每次正向往前运动的距离相等，焊丝每次反向往回运动的距离相等，每次形成的熔滴质 量相等。
7.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝正反运动的频率恒定，每次熔滴实现短路的过渡时间相等。
8.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝正反运动的速度在一个周期内近似正弦波变化或者近似方波变化。
9.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝正向往前运动的距离为1. 5 6mm，反向往回运动的距离为0. 25 3mm。
10.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是焊丝正反运动的频率为25 100HZ，即熔滴的过渡频率为25 100HZ。
11.根据权利要求1所述的大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法， 其特征是对于小电流CO2焊接，通过权力要求1所述的方法可以使现有的熔滴短路过渡更 具规律性，过渡频率更加稳定而且可控，该方法同样适用于小电流CO2焊接。
全文摘要
本发明提供了一种大电流CO2焊接过程中的熔滴定时强制短路过渡控制方法。在现有CO2焊接过程中，通过对焊丝运动方向的控制，对影响熔滴过渡的现有各种作用力基础上主动加入焊丝正反运动对熔滴产生的机械力，使得在传统大电流CO2焊接过程中的熔滴非短路过渡强制实现熔滴短路过渡。焊丝往前运动过程中，焊丝对熔滴产生一定的加速度，即对熔滴的过渡过程产生一个附加的机械力，使得焊丝往前运动时强制熔滴与熔池发生短路，发生短路后，改变焊丝的运动方向，实现焊丝往回运动，靠焊丝反向运动的机械力拉断熔滴。依靠控制焊丝稳定的正向和反向运动，可以保证熔滴短路过渡频率稳定且可控，熔滴颗粒大小均匀。
文档编号B23K9/173GK101870032SQ20101021075
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月18日 优先权日2010年6月18日
发明者侯润石, 吴勇健, 王光辉, 王胜华, 王进成, 褚华, 魏秀权 申请人:杭州凯尔达电焊机有限公司