專利名稱：用于mig/mag焊接的控制方法和適用于該方法的焊接設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及在適于進(jìn)行MIG/MAG焊接的焊接設(shè)備中對(duì)短弧焊工藝的控制。更具體地說，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1前序部分所述的方法和如權(quán)利要求14的前序部分所述的焊接設(shè)備。

背景技術(shù)：
在通常被稱為MIG/MAG焊接的連續(xù)地輸送的焊條發(fā)生熔化的氣體保護(hù)金屬極電弧焊中，工件主要由電弧進(jìn)行加熱。當(dāng)焊接電流通過焊條的突出部分，即通過在導(dǎo)電嘴之間的自由焊條的末端的時(shí)候，在那里電流流入焊條引發(fā)電弧，所以焊條部分由電力加熱，部分由電弧本身加熱。對(duì)焊接過程進(jìn)行基本控制的目的在于實(shí)現(xiàn)焊條的熔化速度與焊條的給進(jìn)速度相對(duì)應(yīng)。控制的進(jìn)一步目的可以是，例如，影響傳遞給工件的熱量。
在三種情形之一下進(jìn)行MIG/MAG焊接。在短弧焊中，材料從焊條傳輸?shù)焦ぜ峭ㄟ^大量的熔滴轉(zhuǎn)移而發(fā)生的，其大體在圖2中公開。由于此過程在于交替的電弧和短路熔滴轉(zhuǎn)移，因此焊條和工件之間的平均電壓降低，因而對(duì)母材的熱傳遞將保持適度。當(dāng)供給功率增加時(shí)，一次進(jìn)入混合弧區(qū)域，其中材料傳輸通過短路和非短路熔滴而發(fā)生。結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)生具有很多焊接濺射和焊接煙霧的不穩(wěn)定電弧。在此區(qū)域的焊接通常是可避免的。在足夠高的供應(yīng)功率下，過程進(jìn)入噴射區(qū)域，其中在沒有短路的情況下材料傳輸通過細(xì)小分散的熔滴。濺射量明顯低于短弧焊。在此對(duì)母材的供熱將變大并且該方法主要適于厚工件。
第三種情形稱為脈沖焊，是指利用先行控制的焊接方法借助于適當(dāng)?shù)碾娏髅}沖控制熔滴的適當(dāng)截?cái)唷Ｃ總€(gè)脈沖截?cái)嘁粋€(gè)熔滴并將熔滴充分變小而不發(fā)生短路。此方法具有從噴射區(qū)域形成少的焊接濺射而不損失大量熱傳遞的優(yōu)點(diǎn)。在下文中，根據(jù)短弧方法適于MIG/MAG焊的設(shè)備被考慮。這里的狀態(tài)在焊絲端(焊條端)和工件之間的短路和電弧兩種狀態(tài)中交替變化。焊接電源的動(dòng)態(tài)性能和校準(zhǔn)一起確定短路的時(shí)間。在正常焊接期間各短路應(yīng)當(dāng)是0.5-40毫秒。動(dòng)態(tài)性能可由焊接變壓器、感應(yīng)器和電路中的內(nèi)在電阻以及感應(yīng)器的電感范圍決定。在現(xiàn)代焊機(jī)中，感應(yīng)器經(jīng)常為電子類，即包括硬件和軟件的過程調(diào)節(jié)器。這樣是為了能在持續(xù)期間改變焊接過程開始時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。焊機(jī)的動(dòng)態(tài)性能決定在焊接過程中可以多快地控制和調(diào)節(jié)焊接電流。過程調(diào)節(jié)器因而給與特性，其根據(jù)在短路期間在過程調(diào)節(jié)器中限定的電流增加率可影響各單獨(dú)的短路過程。
焊機(jī)的靜態(tài)特性主要由過程調(diào)節(jié)器中的所述內(nèi)部電阻或其等同物限定。焊機(jī)中電源的靜態(tài)特性必須適合于焊機(jī)將進(jìn)行的焊接方法。適合于短弧焊的MIG/MAG焊機(jī)被認(rèn)為是具有微量遞減特征的恒壓電源，正常為3V/100A。這可以與改為電流恒定的TIG焊機(jī)相比較。
在更簡(jiǎn)單的焊機(jī)中，具有用于焊條送進(jìn)速度的選擇旋鈕，和用于從焊機(jī)中的焊接變壓器的幾個(gè)電壓輸出口中選擇其一的選擇旋鈕。這可以由用于控制半導(dǎo)體開關(guān)元件上的點(diǎn)火角的操縱輪所替代，其用來產(chǎn)生焊接電壓。在新型的逆變焊機(jī)中，可以極其精確的控制焊接電壓。具有開關(guān)式電源和晶體管控制的微處理機(jī)的新型逆變技術(shù)，與具有半導(dǎo)體開關(guān)元件或階躍控制變壓器的適于各焊接方法和焊接情形的其他電源構(gòu)造相比，可提供對(duì)靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性更快速、更精確的控制。
眾所周知的問題是與各焊條的給進(jìn)速度相匹配的電壓參照值取決于焊條材料、焊條尺寸和保護(hù)氣體類型這些因素。為了改變?nèi)缟纤龅挠绊懸蛩氐木C合值，當(dāng)今焊機(jī)的一般操作包括在焊機(jī)的控制計(jì)算機(jī)中，以用于各種焊條給進(jìn)速度的適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)的形式來實(shí)現(xiàn)所謂的最優(yōu)方案排列。產(chǎn)生用于所有綜合影響因素的上述排列表現(xiàn)為試焊和記錄形式的大量工作。另外，材料的質(zhì)量可能在不同的輸送中改變并導(dǎo)致先前已試驗(yàn)過的最優(yōu)方案排列不再起作用的事實(shí)。此外，現(xiàn)在銷售的保護(hù)氣體具有廠商命名而無指定的氣體成分。同樣，這導(dǎo)致適于所有焊接情形的預(yù)先確定的大量最優(yōu)方案排列產(chǎn)生了問題。由于廠家雖未通知但氣體或焊條的成分也許已變化，連明顯同一焊接情形的最近重現(xiàn)也無法成功。明顯地，這導(dǎo)致在焊接新的批次時(shí)易出故障的不確定因素。
另一個(gè)問題是到目前為止所述方法在改變焊炬觸頭和工件之間的距離上無法給出統(tǒng)一的焊接結(jié)果，例如，在點(diǎn)固焊和轉(zhuǎn)角的區(qū)域通道期間。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于進(jìn)行短弧焊的方法和裝置，所述方法和裝置可以完全地或部分地補(bǔ)救現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。
該目的是通過在方法獨(dú)立權(quán)利要求1的特征部分中所限定的方法步驟和設(shè)備獨(dú)立權(quán)利要求14的特征部分中所限定的裝置而實(shí)現(xiàn)的。
在從屬權(quán)利要求中限定了有利的具體實(shí)施例。
本申請(qǐng)所介紹的調(diào)節(jié)器用于使短路時(shí)間占周期時(shí)間的百分比恒定保持在所要求的設(shè)定值，其中周期時(shí)間為短路時(shí)間和電弧時(shí)間的總和，所述調(diào)節(jié)器對(duì)于不同的外界影響因素的焊接偏差有特別和極好的作用，例如保持觸頭和工件之間的距離。此外，這類的焊機(jī)可操作用于不同的焊條尺寸和材料。同樣地，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的保護(hù)氣體成分的固定偏差。對(duì)已試驗(yàn)的最優(yōu)方案排列在很大程度上已不再需要，并且因此對(duì)于利用從不同廠商和不同制造批次的材料進(jìn)行焊接時(shí)，適當(dāng)?shù)闹貜?fù)精度的可靠性增加了。
由于至少部分地適用于噴射區(qū)域，因而該方法具有極好的效果。在噴射區(qū)域的冷卻部分，小百分比的短路熔滴轉(zhuǎn)移仍然存在。由于有2-5％短路部分的調(diào)節(jié)，可獲得在快弧(RapidArc)概念中常提到的對(duì)噴射區(qū)域這部分同樣的穩(wěn)定控制。但是在純短弧焊期間，適當(dāng)?shù)亩搪钒俜直仁?7-25％，且已證明21％作為啟動(dòng)值是最適宜的。如要求冷焊，則百分比增加，反之亦然。具有這些功能以調(diào)整短路百分比設(shè)定值的輸入裝置存在于電源、焊條送進(jìn)裝置或校準(zhǔn)箱上。
為了實(shí)現(xiàn)控制穩(wěn)定性和控制效果，需要調(diào)節(jié)控制參數(shù)以在擾動(dòng)后在50-1000毫秒內(nèi)達(dá)到延續(xù)，這意味著調(diào)節(jié)器不能控制單獨(dú)的短路百分比但是可控制其多個(gè)的平均值。
根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施例，短路時(shí)間的確定包括基于測(cè)量的電壓確定短路，并在電壓低于所確定的短路極限值時(shí)認(rèn)為存在短路。在相應(yīng)方式中，電弧時(shí)間的確定包括基于測(cè)量的電壓確定電弧，并且當(dāng)測(cè)量的電壓超過電弧確定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。
根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施例，短路時(shí)間的確定包括基于測(cè)量的光強(qiáng)確定短路，并在光強(qiáng)低于所確定的短路極限值時(shí)認(rèn)為存在短路，以及在測(cè)量光強(qiáng)超過電弧確定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。在相應(yīng)方式中，電弧時(shí)間的確定包括根據(jù)測(cè)量的光強(qiáng)確定電弧，并且當(dāng)測(cè)量的光強(qiáng)超過電弧確定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。
根據(jù)本發(fā)明更進(jìn)一步的實(shí)施例，短路時(shí)間的確定包括根據(jù)聲測(cè)量確定短路，并在測(cè)量聲頻為預(yù)定值時(shí)認(rèn)為存在短路。在相應(yīng)方式中，電弧時(shí)間的確定包括根據(jù)聲測(cè)量確定電弧，并且當(dāng)測(cè)量的聲頻為預(yù)定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。例如，當(dāng)測(cè)量聲頻處于確定周期內(nèi)時(shí)，可認(rèn)為是存在電弧，否則認(rèn)為是存在短路，反之亦然。



下面借助于實(shí)施例并參照附圖對(duì)發(fā)明進(jìn)行更詳盡地描述，其中 圖1所示為用于進(jìn)行MIG/MAG焊接的裝置的示意圖。
圖2所示為短弧焊期間當(dāng)熔滴在焊條和工件之間轉(zhuǎn)移時(shí)電流和電壓是如何變化的。

具體實(shí)施例方式 在下文中將對(duì)本發(fā)明的一些可能的實(shí)施例進(jìn)行描述。更進(jìn)一步的實(shí)施例理所當(dāng)然被包括在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
圖1所示為用于在焊條7的端部7′和工件8之間存在短路熔滴的MIG/MAG焊的焊接設(shè)備。所示的焊接設(shè)備包括焊機(jī)1，其具有適于給焊條7提供焊接能量或熔化功率的電源。優(yōu)選電源包括逆變電源。在焊機(jī)1上具有焊條送進(jìn)裝置2。焊條送進(jìn)裝置2適于將焊條7送進(jìn)焊槍3。焊槍3借助于電焊電纜與焊條送進(jìn)裝置2、焊機(jī)1和氣瓶4相連。焊槍3包括氣罩5和導(dǎo)電銅管6，焊條7通過導(dǎo)電銅管6被送進(jìn)工件8附近的位置。從氣瓶4輸送焊接氣體到氣罩5和導(dǎo)電銅管6之間的封閉空間。
此外，焊接設(shè)備包括控制設(shè)備，所述控制設(shè)備包括調(diào)節(jié)器9和過程調(diào)節(jié)器9′。在所公開的具體實(shí)施例中，調(diào)節(jié)器9被歸入過程調(diào)節(jié)器9′。調(diào)節(jié)器9可以構(gòu)成過程調(diào)節(jié)器9′的必要組成部分。然而，過程調(diào)節(jié)器9和調(diào)節(jié)器9′也可是控制設(shè)備的二個(gè)分離的控制部件，優(yōu)選串聯(lián)排列以便調(diào)節(jié)器9的輸出信號(hào)成為過程調(diào)節(jié)器9′的輸入信號(hào)。控制設(shè)備也包括示意表示的第一傳感器10，其用于感應(yīng)焊條7和工件8之間的短路；和示意表示的第二傳感器11，其用于感應(yīng)焊條7和工件8之間的電弧。調(diào)節(jié)器9和第一傳感器10共同構(gòu)成用于確定短路時(shí)間(即，短路持續(xù)時(shí)間)的裝置。調(diào)節(jié)器9和第二傳感器11共同構(gòu)成用于確定燃弧時(shí)間(即，電弧持續(xù)時(shí)間)的裝置。
第一裝置9、10用于確定短路時(shí)間，即焊條端部7′和工件8之間的短路持續(xù)時(shí)間。第二裝置9、11用于確定燃弧時(shí)間，即焊條端部7′和工件8之間的電弧持續(xù)時(shí)間。調(diào)節(jié)器9與過程調(diào)節(jié)器9′共同作用，通過這種方式來控制供給焊條7的電能如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過規(guī)定可調(diào)整的設(shè)定值則供電增加，如果短路百分比低于所述設(shè)定值則供電減少，其中周期時(shí)間是短路時(shí)間和燃弧時(shí)間的總和。因此，調(diào)節(jié)器9和過程調(diào)節(jié)器9′將保持短路百分比為恒定的、所期望的設(shè)定值。
本發(fā)明主要用于將短路百分比恒定保持在所要求的設(shè)定值。這是通過讓用于此目的的調(diào)節(jié)器9將其輸出信號(hào)進(jìn)一步留給內(nèi)部過程調(diào)節(jié)器9′處理而實(shí)現(xiàn)的，其目的是以微觀比例控制焊接過程，那就是說，給出電源的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
然而，作為其它可選方式，本發(fā)明同樣可在更多簡(jiǎn)單焊機(jī)中執(zhí)行，例如，沒有任何特殊過程調(diào)節(jié)器的半導(dǎo)體開關(guān)元件-控制的焊接電源。在這種情況下，本發(fā)明的調(diào)節(jié)器直接控制用于焊機(jī)1的半導(dǎo)體開關(guān)元件的點(diǎn)火角。
本發(fā)明也可用于例如步進(jìn)控制的焊機(jī)中，其中對(duì)焊絲進(jìn)給元件馬達(dá)進(jìn)行控制，以便使得如權(quán)利要求1所述影響能量供應(yīng)或熔化功率。
可以通過軟件以及模擬或數(shù)字類型的硬件來實(shí)施控制設(shè)備。
下面的公式描述了在一個(gè)實(shí)施例中的控制算法 En+1＝En-k(Rreg-Rn)，其中 E＝來自短路時(shí)間調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)＝到達(dá)最初焊接過程調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào) k＝積分短路時(shí)間調(diào)節(jié)器中的放大常數(shù)，選擇k以便使得從擾動(dòng)到持續(xù)狀態(tài)的時(shí)間為50-1000毫秒，優(yōu)選250-350毫秒。
在控制算法可以存在同樣的比例部分。
R＝短路時(shí)間/(短路時(shí)間+燃弧時(shí)間) Rreg＝R的設(shè)定值 Rn＝R的最新測(cè)定值 1.在每個(gè)新的測(cè)量Rn后更新En 2.如果周期時(shí)間＞150毫秒，設(shè)置Rn為較低值，比如1％ 3.電弧熄滅導(dǎo)致En不能進(jìn)行更新 4.如果電弧熄滅超過150毫秒，上述步驟2有效 在下一次焊接開始時(shí)使用最新的控制值是有利的。為此因而在焊接設(shè)備斷開后需要存儲(chǔ)控制值的存儲(chǔ)器。如果焊條送進(jìn)速度自上次焊接發(fā)生變化，則插入用于可靠焊接開始的值。因而這意味著同樣在電流切斷的情況下，同樣應(yīng)將焊條送進(jìn)速度值存儲(chǔ)在儲(chǔ)存器中。
權(quán)利要求
1.一種用于在焊條端部和工件之間存在短路熔滴的MIG/MAG焊接的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟
確定短路時(shí)間，
確定燃弧時(shí)間，和
以下面的方式控制焊條的熔化效率即如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過規(guī)定的可調(diào)設(shè)定值，則熔化效率增加；如果所述短路百分比低于所述設(shè)定值，則熔化效率減少，其中所述周期時(shí)間是短路時(shí)間和燃弧時(shí)間的總和。
2.如權(quán)利要求1所述的控制方法，其中，進(jìn)行所述控制以獲得作為總周期時(shí)間一部分的所述短路時(shí)間的設(shè)定值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的控制方法，其中，所述控制適于在50-1000毫秒內(nèi)的擾動(dòng)之后達(dá)到連續(xù)狀態(tài)。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，短路時(shí)間的確定包括基于測(cè)量的電壓確定短路，以及在電壓低于所確定的短路極限值時(shí)認(rèn)為存在短路。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，燃弧時(shí)間的確定包括基于測(cè)量的電壓確定電弧，以及在所測(cè)量的電壓超過電弧確定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，短路時(shí)間的確定包括基于光測(cè)定確定短路，并且在光強(qiáng)低于所確定的短路極限值時(shí)認(rèn)為存在短路，和在測(cè)量的光強(qiáng)超過電弧確定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，燃弧時(shí)間的確定包括基于光測(cè)定確定電弧，并且在所測(cè)量的光強(qiáng)超過電弧確定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，短路時(shí)間的確定包括根據(jù)聲測(cè)量確定短路，并且在所測(cè)量的聲頻為預(yù)定值時(shí)認(rèn)為存在短路。
9.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，燃弧時(shí)間的確定包括根據(jù)聲測(cè)量確定電弧，并且在所測(cè)量的聲頻為預(yù)定值時(shí)認(rèn)為存在電弧。
10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，所述周期時(shí)間是以短路時(shí)間和緊接著的燃弧時(shí)間的總和來計(jì)算的。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，熔化效率的控制包括以下面的方式控制提供給焊條的能量即如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過設(shè)定值則能量供給增加，如果所述短路百分比低于設(shè)定值則能量供給減少。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，熔化效率的控制包括以下面的方式控制焊條的送進(jìn)速度即如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過設(shè)定值則送進(jìn)速度增加，如果所述短路百分比低于設(shè)定值則送進(jìn)速度減少。
13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的控制方法，其中，進(jìn)一步檢測(cè)電弧熄滅，即焊接電流不再存在的狀態(tài)，并且其中與電弧熄滅相關(guān)的周期時(shí)間被忽略，即所述周期時(shí)間未對(duì)熔化功率的計(jì)算作出貢獻(xiàn)。
14.用于進(jìn)行MIG/MAG焊接的焊接設(shè)備，包括焊槍(3)，所述焊槍夾持具有焊條端部(7′)的焊條(7)，所述焊條端部(7′)適于被送至工件(8)附近的一定位置；和焊機(jī)(1)，所述焊機(jī)適于向焊條(7)供應(yīng)能量，其特征在于，焊接設(shè)備包括
適于確定短路時(shí)間的第一裝置(9、10)，
適于確定燃弧時(shí)間的第二裝置(9、11)，和
適于以下面的方式控制焊條(7)的熔化效率的調(diào)節(jié)器(9)即如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過規(guī)定的可調(diào)設(shè)定值，則熔化效率增加；如果所述短路百分比低于所述設(shè)定值，則熔化效率減少，以保持短路百分比為恒定值，其中所述周期時(shí)間是短路時(shí)間和燃弧時(shí)間的總和。
15.如權(quán)利要求14所述的焊接設(shè)備，進(jìn)一步包括用于控制焊接設(shè)備動(dòng)態(tài)特性的過程調(diào)節(jié)器(9′)。
16.如權(quán)利要求15所述的焊接設(shè)備，其中所述過程調(diào)節(jié)器(9′)接收來自調(diào)節(jié)器(9)的輸入信號(hào)以保持短路百分比恒定。
17.如權(quán)利要求14所述的焊接設(shè)備，其中用于保持短路百分比恒定的調(diào)節(jié)器(9)控制焊機(jī)(1)的電源模塊中的半導(dǎo)體開關(guān)元件的點(diǎn)火角。
18.如權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的焊接設(shè)備，其中用于保持短路百分比恒定的調(diào)節(jié)器(9)控制焊條送進(jìn)裝置(2)，以便當(dāng)所述短路百分比低于規(guī)定設(shè)定值時(shí)輸送更多焊條(7)，且反之亦然。
19.如權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的焊接設(shè)備，其中用于保持所述短路百分比恒定的調(diào)節(jié)器(9)控制焊機(jī)，從而以下面的方式調(diào)整供給焊條的能量即如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過設(shè)定值則能量供給增加，如果所述短路百分比低于設(shè)定值則能量供給減少。
20.如權(quán)利要求11-19中任一項(xiàng)所述的焊接設(shè)備，包括用于存儲(chǔ)最新使用的控制參數(shù)并在下次焊接開始時(shí)應(yīng)用這些參數(shù)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于在焊條端部(7’)和工件(8)之間存在短路熔滴的MIG/MAG焊接的控制方法和焊接設(shè)備。該方法包括確定短路時(shí)間、確定燃弧時(shí)間和控制供給焊條(7)的能量。以下面的方式控制能量供給即如果總周期時(shí)間內(nèi)的所測(cè)量的短路時(shí)間超過規(guī)定的可調(diào)設(shè)定值，則能量供給增加；如果所述短路百分比低于所述設(shè)定值，則能量供給減少，其中所述周期時(shí)間為短路時(shí)間和燃弧時(shí)間的總和。
文檔編號(hào)B23K9/095GK101296773SQ200680033347
公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2006年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月12日
發(fā)明者P·阿伯格 申請(qǐng)人:埃薩布公司