电弧焊接熔滴缩颈发生检测方法和缩颈发生后的控制方法

摘要

本发明公开了一种电弧焊接熔滴缩颈发生检测方法和熔滴缩颈发生后的控制方法。通过实时检测焊接电流和焊接电压，计算焊接瞬时功率和焊接瞬时功率变化率，当瞬时功率变化率超过某一临界值时，判断缩颈发生。判断缩颈发生后，控制输出的瞬时功率在某一设定值，以控制电爆炸时的能量。本发明电弧焊接熔滴缩颈发生检测方法具有预判性，补偿了检测电路的延时，使焊接系统控制能够及时动作，以避免电爆炸剧烈发生，同时因为考虑了电流的因素，避免了电流上升率过快造成的缩颈误判断。

说明书

[技术领域]

本发明涉及熔化电极气体保护焊接，尤其涉及一种电弧焊接熔滴缩颈发生 检测方法和熔滴缩颈发生后的控制方法。

[背景技术]

图1所示是熔化极气体保护焊接时熔滴过渡处于短路过渡状态时电流、电 压以及熔滴过渡的示意图。其中Ts表示电弧短路时间，Ta表示电弧燃弧时间， Iw表示焊接电流的瞬时值，Vw表示焊接电压的瞬时值，Pw表示焊接功率瞬时值， 图1(b)表示一个熔滴过渡周期内的熔滴形态。下面参照图1进行说明。

时刻t1-t4之间是熔滴的短路过渡时期，如图1(b)中所示，熔滴2逐渐 在焊丝1的端部形成并开始接触工件4。焊接电压Vw在短路开始的t1时刻迅速 降低并保持在较低的值。在短路期间，焊接电流Iw首先被控制成保持不变，以 保证熔滴2与工件4之间的润湿。经过一段时间之后，焊接电流Iw开始逐渐上 升以形成电磁收缩力和电弧推力，促进熔滴缩颈2a逐渐形成，并向工件4快速 过渡。在t3时刻，熔滴缩颈2b逐渐形成，直至t4时刻缩颈爆断，熔滴2完全 脱离焊丝1的端部，电弧3重新形成。

上述缩颈形成时间很短，大约在几十微秒到几百微秒之间，焊接电流Iw因 为真实电感或者电子电感的存在，不能发生突变而维持在较大的值，以保持较 大的电磁推力，防止熔滴2在其它外力作用下过渡方向发生偏转。同时由于缩 颈处电流通路横截面逐渐收窄，积累在缩颈处的能量瞬间增大，直至缩颈处因 为过热或者气化发生爆断，该现象是产生焊接飞溅现象的主要原因之一。

现有技术通过判断熔滴过渡时的缩颈形成，区分熔滴过渡过程从短路状态 重新回到燃弧状态，并借此切换焊接系统的控制方式，以获得更佳的焊接质量。 因为电流是熔滴短路过渡时的控制对象，因此现有方法主要通过检测电压判断 缩颈形成。缩颈在逐渐形成时，电流通路的横截面积逐渐减小，导致电流通路 电阻增加。因为在缩颈形成的极短时间内，电流变化较小，因此电流通路电阻 的增加即表现为焊接电压瞬时值Vw的增加，直至缩颈断裂，电极压降和电弧空 间重新形成。简单的判断焊接电压瞬时值Vw是否大于某临界电压值即可判断熔 滴过渡过程从短路状态重新回到燃弧状态。另一种判断缩颈形成的方法是通过 硬件检测电路或者微处理器计算焊接电压Vw的变化率，当Vw的变化率大于某 一临界值时认为缩颈形成，熔滴过渡过程开始从短路状态向燃弧状态切换。与 前述方法相比，由于加入了电压检测的微分环节，因此增加了缩颈判断的预见 性，可以提前控制电流以降低飞溅发生的机率。

由于在焊接电压Vw的检测回路中加入了为滤除来自焊接系统内部和焊接系 统外部干扰以获得平滑波形的滤波电路，因而不可避免的引入了较大延时，因 此使用上述第一种方法判断缩颈形成，在判断焊接电压Vw高于某一临界值并据 此切换焊接系统控制方法时，缩颈已经电爆炸并形成较大飞溅。

上述第二种方法通过加入微分环节，判断焊接电压Vw的变化率，预判了缩 颈的产生，补偿了检测延时带来的影响，并依此对焊接电流进行控制，降低了 缩颈期间电爆炸的概率，减少了飞溅。但此方法忽略了焊接电流Iw的影响。在 熔滴短路过程中，为了加快缩颈形成的进度，或者为了调节不同位置焊接时的 电弧力，常常需要控制不同的电流斜率，在该电流斜率与短路等效电阻的共同 作用下得到焊接电压Vw的变化率。如图2所示，焊接电流Iw发生突变而短路 等效电阻不变时，即电流通路横截面积并未很大发生变化时，焊接电压变化率 Vw(图中A部位)依然可能超过用于判断缩颈形成的临界值，从而造成误判断， 影响熔滴的正常过渡。

缩颈电爆炸的实质是能量在缩颈上迅速累积，超过一定值后迫使缩颈断裂 或者气化，造成飞溅。因此检测并控制该能量可以满足缩颈判断的要求，并改 善焊接过程中能量在短路和燃弧状态下的配比。现有技术没有办法直接检测和 控制短路到燃弧转换过程中的能量，因此可能造成误判或者焊接能量分配不佳。

[发明内容]

本发明要解决的技术问题是提供一种能够准确判缩颈发生，以降低飞溅发 生率的电弧焊接熔滴缩颈发生的检测方法。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种缩颈发生后的控制方法，以抑 制熔滴短路过渡到电弧重新燃弧转换时因为电爆炸产生的飞溅。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种电弧焊接熔滴缩 颈发生检测方法，在电弧焊接时，通过实时检测焊接电流和焊接电压，计算焊 接瞬时功率和焊接瞬时功率变化率，当瞬时功率变化率超过某一临界值时，判 断缩颈发生。

以上所述的电弧焊接熔滴缩颈发生检测方法，通过电压检测单元检测焊丝 端部与工件之间的焊接电压，通过电流检测单元检测流过焊丝与工件的焊接电 流，将电压和电流采样信号通过滤波电路滤除干扰信号得到焊接电压采样信号 和焊接电流采样信号；电流检测信号和电压检测信号送入功率计算单元计算焊 接瞬时功率和瞬时功率变化率，当瞬时功率的变化率达到门限值，则判断缩颈 形成

一种熔滴缩颈发生后的控制方法的技术方案是，根据上述电弧焊接熔滴缩 颈发生检测方法判断缩颈发生后，控制输出的瞬时功率在某一设定值，以控制 电爆炸时的能量。

以上所述的熔滴缩颈发生后的控制方法，判断缩颈发生后经过某一给定时 间，系统判定熔滴已完全脱离焊丝，此时将焊接功率设定值增大，用此增大的 焊接功率设定值与功率计算单元的输出的等效回路电阻计算后得到电流调整单 元的预设初始值，以此作为燃弧时期恒压控制的初始值。

以上所述的熔滴缩颈发生后的控制方法，通过电压检测单元检测焊丝端部 与工件之间的焊接电压，通过电流检测单元检测流过焊丝与工件的焊接电流， 将电压和电流采样信号通过滤波电路滤除干扰信号得到焊接电压采样信号和焊 接电流采样信号；电流检测信号和电压检测信号送入功率计算单元计算焊接瞬 时功率和瞬时功率变化率，当瞬时功率的变化率达到门限值，则判断缩颈形成； 电流检测信号作为电流反馈量还被送入电流调整单元，电压检测信号作为电压 反馈信号还被送入电压调整单元；当判定缩颈发生后，多路转换器切换功率调 节器的输出信号进入电流调整单元，电流调整单元通过调整占空比，控制主电 路的高频逆变单元，使瞬时功率追踪给定值，实现对瞬时功率的控制，防止缩 颈剧烈爆炸。

以上所述的熔滴缩颈发生后的控制方法，判定缩颈发生后经过某一给定时 间，将焊接功率设定值增大，电流环初始值设定单元用增大后的功率设定值与 功率计算单元的输出的等效回路电阻计算后得到电流调整单元的设定值，并以 此电流调整单元的设定值作为燃弧时期恒压控制的初始值。

以上所述的熔滴缩颈发生后的控制方法，设定所述的初始值之后，多路转 换器重新将电压调节器的输出信号切换到电流调整单元。

本发明电弧焊接熔滴缩颈发生检测方法具有预判性，补偿了检测电路的延 时，使焊接系统控制能够及时动作，以避免电爆炸剧烈发生，同时因为考虑了 电流的因素，避免了电流上升率过快造成的缩颈误判断。

[附图说明]

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是现有技术熔滴处于短路过渡状态时电流、电压以及熔滴过渡的示意 图。

图2是现有技术焊接电流突变时，焊接电压变化率超过临界值，造成缩颈 误判的示意图。

图3是本发明焊接系统中各信号的时序图。

图4是本发明熔化电极电弧焊接缩颈检测和控制原理框图。

图5是本发明电弧焊接熔滴缩颈发生检测方法的流程图，

[具体实施方式]

图4是本发明关于电弧焊接熔滴缩颈检测和控制原理框图。主电路由DSP 控制，DSP包括检波电路、功率计算单元、电流调整单元、电压调整单元VR、 功率调节器PR、状态切换电路SW、电流环初始值设定单元Ia_init和多路转换 器Mux。

焊机的送丝机恒速送丝，通过电压检测单元Vd检测焊丝端部与工件之间的 焊接电压Vw，通过电流检测单元Id检测流过焊丝与工件的焊接电流Iw，将电 压和电流采样信号通过滤波电路滤除其中来自焊接系统内部和外部的干扰信号 后得到焊接电压采样信号Vs和焊接电流采样信号Is，这些信号幅值上与真实信 号成一定比例，而在相位上有所延时。电流检测信号Is被送入电流调整单元CR (电流环)作为电流反馈量，同时也被送入功率计算单元作为计算焊接功率等 输出的参数。电压检测信号Vs还被送入电压调整单元VR作为电压反馈信号， 同时也被送入功率计算单元作为计算焊接功率等输出的参数。

功率计算单元以电压检测信号Vs和电流检测信号Is作为输入量，以瞬时 功率Pc(瞬时电压乘以瞬时电流)、瞬时功率变化率ΔPc/Δt(对瞬时功率进行 微分)、等效回路电阻Rc(瞬时电压除以瞬时电流)作为输出量，对短路到燃弧 的切换过程进行控制。

图3是焊接系统中各个信号的时序图。最上面的第一曲线表示焊接电流Iw 的变化，第二曲线表示焊接电压Vw的变化，第三曲线表示焊接瞬时功率的变化， 图(b)表示熔滴过渡情况。在t1至t3区域，焊接系统输出处于短路状态，熔 滴从焊丝端部逐渐向母材过渡，至t3时刻，缩颈逐渐形成，等效电阻迅速增大， 因为存在物理电感和电子电感，电流Iw维持在较高位置，瞬时功率迅速增大。 在t 4时刻，功率计算单元计算得到的瞬时功率的变化率ΔPc/Δt达到门限值， 状态切换电路SW判断此时缩颈形成，多路转换器Mux的输入迅速切换到功率调 节器PR的输出上，功率调节器PR的输出信号通过多路转换器Mux送入电流调 整单元CR，电流调整单元CR通过调整占空比，控制主电路的高频逆变单元，使 瞬时功率追踪给定值，实现对瞬时功率的控制，防止缩颈剧烈爆炸。

判定缩颈发生后经过某一给定时间后，控制系统判定熔滴已经完全脱离焊 丝，此时，迅速将焊接功率设定值增大，电流环初始值设定单元Ia_init用此 功率设定值与功率计算单元的输出的等效回路电阻Rc计算后得到电流调整单元 的设定值，以此电流调整单元的设定值作为燃弧时期恒压控制的初始值。因为 Rc能够反映电弧的弧长信息，用此方法可以更快的适应弧长变化的情况。设定 初始值之后，多路转换器Mux重新将电压调节器VR的输出信号切换到电流调整 单元CR。

功率调节器PR焊接功率设定值的选择既能够保证缩颈能够迅速熔断，以及 熔滴过渡必要的电磁力，同时又不能有过大的电爆炸。

本发明以上实施例对熔滴缩颈产生的判断具有预判性，补偿了检测电路的 延时，使焊接系统控制能够及时动作，以避免电爆炸剧烈发生，同时因为考虑 了电流的因素，避免了电流上升率过快造成的缩颈误判断。

熔滴缩颈产生后，通过检测和控制缩颈中的能量，能够更直接的控制电 爆炸时的能量，降低了仅依靠控制电流，从而可能破坏熔滴受力平衡，或者不 能够及时熔断缩颈造成短路时间过长的几率。

焊丝再燃弧时，设定某一个功率值为此阶段功率初始值。从前一阶段的计 算中得到焊接系统等效电阻值，通过初始功率值和此等效电阻值可以得到此阶 段电流控制环的给定初始值。因为等效电阻值可以反映电弧长度信息，因此该 方法可以动态调节每个熔滴过渡过程中燃弧时的电弧长度，提高电弧的稳定性。