專利名稱：改善gmaw引弧過程的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熔化極氣體保護焊引弧過程的控制方法，本發(fā)明還涉及應(yīng)用這種方法的設(shè)備。
背景技術(shù)：
由于GMAW(熔化極氣體保護焊)具有低成本、高效率、易于自動化等優(yōu)點，已經(jīng)成為金屬加工制造中應(yīng)用最廣泛的連接工藝。GMAW在應(yīng)用中也存在一些問題，焊接飛濺就是其中之一。因為焊接飛濺可能導致以下嚴重問題1、對被焊工件上的一些已加工部分，如帶有螺紋孔或其它類似配合孔等，焊接飛濺可能破壞螺紋或配合孔的質(zhì)量甚至導致整個工件報廢；2、附著在焊槍噴嘴和導電嘴上的飛濺會影響保護氣流和焊絲的正常送給，為此不得不經(jīng)常停機進行清理或更換，這對于高效率自動化焊接的效率是極大的損失；3、對于大批量生產(chǎn)采用的焊接定位夾具，在更換工件時，一些焊接飛濺將有機會散落到焊接定位夾具上，從而影響夾具定位精度，對于機器人或其它自動化焊接系統(tǒng)會造成成批工件的因焊縫位置偏差過大而報廢。因此，降低焊接飛濺一直是GMAW應(yīng)用中備受關(guān)注的問題，尤其在汽車車身及零部件制造中。眾所周知，射流過渡模式GMAW的焊接飛濺近乎為零，因此為要求高質(zhì)量的焊接過程所廣泛采用。然而在汽車車身機器零部件的焊接應(yīng)用中，一個令人疑惑和困擾的問題是即使采用射流過渡，實際焊接飛濺量仍然比較大。研究發(fā)現(xiàn)，射流過渡模式下GMAW的焊接飛濺主要產(chǎn)生于引弧初期。因為目前工業(yè)應(yīng)用的GMAW焊機，盡管都可以通過焊接參數(shù)設(shè)置使之穩(wěn)定的熔滴過渡形式為射流過渡，但由焊接引弧到達到穩(wěn)定的射流過渡還需要一定的過渡時間，少則數(shù)百毫秒，多則數(shù)秒。對于焊縫的焊接時間較長的長應(yīng)用，數(shù)百毫秒、甚至數(shù)秒的不穩(wěn)定時間相對總焊接時間來說可以忽略不計。但是對于汽車車身及零部件的焊接，一般焊縫都很短，而且焊縫數(shù)量很多。對于GMAW汽車車身焊接應(yīng)用的大量短焊縫焊縫的焊接時間一般在5秒以內(nèi)，所以引弧過程在整個焊接過程中所占比例很大，對整個焊接過程的影響變得格外突出。因此研究引弧過程對焊接飛濺的影響和改善GMAW引弧過程降低焊接飛濺對提高汽車車身制造水平具有特別重要的意義。由GMAW的基本原理可知，射流過渡時的焊接電流應(yīng)是平滑穩(wěn)定的，而電流波形在引弧初期是非常不穩(wěn)定的短路過渡形態(tài)，這說明在GMAW引弧起始到穩(wěn)定的射流過渡之間需要一定的時間，稱為焊接引弧不穩(wěn)定時間。在引弧初期是不規(guī)則的短路過渡和顆粒過渡的混合，因此在這一階段必然產(chǎn)生較高的焊接飛濺率。對于穩(wěn)定的射流過渡的必要條件是焊絲送絲速度與焊絲熔化速度相平衡，而焊絲的熔化速度取決于焊接電流，在GMAW引弧初期之所以不能達到穩(wěn)定射流過渡的根本原因在于焊接電流不穩(wěn)定。由于GMAW焊接的特點，為了保持弧長恒定要求采用恒壓電源獲得電弧自身調(diào)節(jié)作用，而由此帶來的問題是恒壓電源在引弧初期的電流是不可控的，也是不穩(wěn)定的。問題反映在兩個方面，一是短路引弧的初期，短路電流過大，而送絲速度較低，焊絲易于因過熱而成段熔化；二是引弧初期的電弧導電性較差，對應(yīng)的熔弧電流較低，不能達到射流過渡的臨界電流值。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服GMAW在引弧初焊接時段焊接飛濺大的缺陷，提供一種使引弧階段焊接飛濺量小的GMAW引弧過程的方法和設(shè)備。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種改善GMAW引弧過程的方法，它通過下述步驟實現(xiàn)(一)起動焊接設(shè)備11；(二)引弧12；(三)檢測輸出電流13；(四)判斷輸出電流i在兩個給定電流值i1和i2之間的哪個區(qū)間段14；(五)如果i＜i1，則對焊接設(shè)備的輸出電流進行負反饋控制，調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的輸出電壓，從而使輸出電流保持恒定，焊接設(shè)備工作在恒流源工作模式15；如果i1＜i＜i2，則焊接設(shè)備在原給定的電壓值下保持恒壓源工作模式16；如果i＞i2，則對焊接設(shè)備的輸出電流進行負反饋控制，調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的輸出電壓，從而使輸出電流保持恒定，焊接設(shè)備工作在恒流源工作模式17。采用此種控制方法后，GMAW引弧后由于焊接電流穩(wěn)定了，所以焊絲的熔化速度也就穩(wěn)定，能夠與焊絲送絲速度迅速達成平衡，因此不會產(chǎn)生焊接飛濺，而當GMAW達到射流過渡的穩(wěn)定工作時段后，恒壓源工作模式又保證了電弧弧長的恒定，在引弧初期即可提供合適的短路電流，又可提供穩(wěn)定的焊接電流。
本發(fā)明還提供了應(yīng)用上述方法的設(shè)備一種改善GMAW引弧過程的設(shè)備，它由可控電壓源6、負載(焊接電弧)7、電流/電壓變換器8和負反饋控制電路5組成，負載7和電流/電壓變換器8串聯(lián)在可控電源6的兩個輸出端間，電流/電壓變換器8的輸出端連接負反饋控制電路5的輸入端，負反饋控制電路5的輸出端連接在可控電壓源6的控制端上。本設(shè)備在工作時，電流/電壓變換器8采集輸出電流的信號，并把該信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞斎胴摲答伩刂齐娐?進行比較、放大和反饋，從而輸出與本發(fā)明的方法所對應(yīng)的控制信號，來控制可控電壓源6的工作模式，從而改善GMAW在引弧時段的飛濺狀況。本發(fā)明具有設(shè)計新穎、工作可靠和有較大推廣價值的優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明方法的步驟流程圖，圖2是本發(fā)明設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是實施方式三的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是本發(fā)明設(shè)備的輸出特性圖，圖5是實施方式四的結(jié)構(gòu)示意圖，圖6是實施方式五的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
一下面結(jié)合圖1具體說明本實施方式。它通過下述步驟實現(xiàn)(一)起動焊接設(shè)備11；(二)引弧12；(三)檢測輸出電流13；(四)判斷輸出電流i在兩個給定電流值i1和i2之間的哪個區(qū)間段14；(五)如果i＜i1，則對焊接設(shè)備的輸出電流進行負反饋控制，調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的輸出電壓，從而使輸出電流保持恒定，焊接設(shè)備工作在恒流源工作模式15；如果i1＜i＜i2，則焊接設(shè)備在原給定的電壓值下保持恒壓源工作模式16；如果i＞i2，則對焊接設(shè)備的輸出電流進行負反饋控制，調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的輸出電壓，從而使輸出電流保持恒定，焊接設(shè)備工作在恒流源工作模式17。
具體實施方式
二下面結(jié)合圖2具體說明本實施方式。本實施方式由可控電壓源6、負載7、電流/電壓變換器8和負反饋控制電路5組成，負載7和電流/電壓變換器8串聯(lián)在可控電源6的兩個輸出端間，電流/電壓變換器8的輸出端連接負反饋控制電路5的輸入端，負反饋控制電路5的輸出端連接在可控電壓源6的控制端上。
具體實施方式
三下面結(jié)合圖3和圖4具體說明本實施方式，本實施方式與實施方式二的不同點是，負反饋控制電路5由非線性電流反饋放大器5-1、減法器5-2、電平信號U1、電平信號U2和電平信號U3組成，電平信號U3的電平高于電平信號U2的電平，非線性電流反饋放大器5-1的一個輸入端連接電流/電壓變換器8的輸出端，非線性電流反饋放大器5-1的另外兩個輸入端分別連電平信號U3和電平信號U2的輸出端，非線性電流反饋放大器5-1的輸出端連減法器5-2的相減端，電源U1的輸出端連接減法器5-2的相加端，減法器5-2的輸出端連可控電壓源6的控制端。本實施方式的工作原理參見圖4，圖3的核心是非線性電流反饋放大器5-1，該放大器的輸出由電流/電壓變換器8的輸出、用于電流設(shè)定的電源U2和電源U3共同決定，在不同階段的放大倍數(shù)是不同的，故稱為非線性放大器?？煽仉妷涸?的輸出電壓由用于電壓設(shè)定的電源U1的設(shè)定值和非線性電流反饋放大器5-1輸出值的和決定。電平信號U2和電平信號U3分別對應(yīng)兩個電流給定值i1和i2，也就是圖4中的B點和C點所對應(yīng)的電流值。當由電流/電壓變換器8檢測到的電流值大于電流設(shè)定i1，小于電流設(shè)定i2時非線性電流反饋放大器5-1的輸出為零，即放大倍數(shù)為零。此時減法器5-2的輸出恒等于電平信號U1的給定值，可控電源6的輸出電壓也由電平信號U1決定，電源外特性為恒壓源，即圖4中B-C段。當由電流/電壓變換器8檢測到的電流值小于電流設(shè)定i1時非線性電流反饋放大器5-1的輸出為負，此時減法器5-2的輸出等于電平信號U1的給定值與非線性電流反饋放大器5-1的輸出之和，此時輸出電流的降低經(jīng)負反饋的作用使可控電壓源的輸入增加，故輸出電壓也增加，維持輸出電流恒定，即形成A-B段的恒流特性。當由電流/電壓變換器8檢測到的電流值大于電流設(shè)定i2時非線性電流反饋放大器5-1的輸出為正，此時減法器5-2的輸出等于電平信號U1的給定值與非線性電流反饋放大器5-1的輸出之差，此時輸出電流的降低經(jīng)負反饋的作用使可控電壓源的輸入降低，故輸出電壓也降低，維持輸出電流恒定，即形成C-D段的恒流特性。本實施方式中，可控電壓源6選用逆變電源，通過改變逆變電源中的有源元件(IGBT或MOSFET)導通時間能有效控制輸出電壓。
具體實施方式
四下面結(jié)合圖5具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式三的不同點是，減法器5-2為集成運算放大器A3，非線性電流反饋放大器5-1由集成運算放大器A1、集成運算放大器A2、二極管D1和二極管D2組成，電流/電壓變換器8的輸出端連集成運算放大器A1和集成運算放大器A2的同相輸入端，電平信號U2和電平信號U3的輸出端分別連集成運算放大器A1和集成運算放大器A2的反相輸入端，集成運算放大器A1的輸出端連二極管D1的負極，集成運算放大器A2的輸出端連二極管D2的正極，二極管D2的負極連二極管D1的正極和集成運算放大器A3的反相輸入端，集成運算放大器A3的同相輸入端連電源U1的輸出端，集成運算放大器A3的輸出端連可控電壓源6的控制端。圖中A1、A2和A3為差動放大器。電流反饋信號Uif同時加到A1和A2的同相輸入端。當U2＜Uif＜U3時，A1輸出為正，A2輸出為負，此時二極管D1、D2均為截止，故輸出電壓＝0，可控電壓源6的控制電壓與電流無關(guān)為恒壓特性；當Uif＜U2時，A1、A2輸出均為負，此時二極管D1導通、D2截止，可控電壓源6的控制電壓隨Uif下降而上升，構(gòu)成電流負反饋，獲得恒流特性；當Uif＞U3時，A1、A2輸出均為正，此時二極管D1截止、D2導通，可控電壓源6的控制電壓隨Uif上升而下降，同樣構(gòu)成電流負反饋，獲得恒流特性。為了可獲得良好的恒流特性，上述電流負反饋環(huán)節(jié)必須有合適的增益，當取電流/電壓變換器8的變換系數(shù)為1V/100A，可控電壓源6的放大倍數(shù)為10，A1、A2的放大倍數(shù)K1＝K2＝100，A3的放大倍數(shù)K3＝1時，可獲得良好的恒流特性。
具體實施方式
五下面結(jié)合圖6具體說明本實施方式。本實施方式與實施方式二的不同點是，負反饋控制電路5由D/A轉(zhuǎn)換電路5-4、微處理器(單片機或DSP)5-5和A/D轉(zhuǎn)換電路5-6組成，A/D轉(zhuǎn)換電路5-6的輸入端連電流/電壓變換器8的輸出端，A/D轉(zhuǎn)換電路5-6的輸出端連微處理器(單片機或DSP)5-5的輸入端，微處理器(單片機或DSP)5-5的輸出端連D/A轉(zhuǎn)換電路5-4的輸入端，D/A轉(zhuǎn)換電路5-4的輸出端連可控電壓源6的控制端。本實施方式通過在微處理器(單片機或DSP)中運行的計算機程序來完成焊接設(shè)備輸出電流的負反饋控制和恒壓源與恒流恒切換的邏輯判斷，從而實現(xiàn)本發(fā)明的目的。
權(quán)利要求
1.一種改善GMAW引弧過程的方法，其特征是它通過下述步驟實現(xiàn)(一)起動焊接設(shè)備(11)；(二)引弧(12)；(三)檢測輸出電流(13)；(四)判斷輸出電流i在兩個給定電流值i1和i2之間的哪個區(qū)間段(14)；(五)如果i＜i1，則對焊接設(shè)備的輸出電流進行負反饋控制，調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的輸出電壓，從而使輸出電流保持恒定，焊接設(shè)備工作在恒流源工作模式(15)；如果i1＜i＜i2，則焊接設(shè)備在原給定的電壓值下保持恒壓源工作模式(16)；如果i＞i2，則對焊接設(shè)備的輸出電流進行負反饋控制，調(diào)節(jié)焊接設(shè)備的輸出電壓，從而使輸出電流保持恒定，焊接設(shè)備工作在恒流源工作模式(17)。
2.一種改善GMAW引弧過程的設(shè)備，其特征是它由可控電壓源(6)、負載(7)、電流/電壓變換器(8)和負反饋控制電路(5)組成，負載(7)和電流/電壓變換器(8)串聯(lián)在可控電源(6)的兩個輸出端間，電流/電壓變換器(8)的輸出端連負反饋控制電路(5)的輸入端，負反饋控制電路(5)的輸出端連接在可控電壓源(6)的控制端上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種改善GMAW引弧過程的設(shè)備，其特征是負反饋控制電路(5)由非線性電流反饋放大器(5-1)、減法器(5-2)、電平信號(U1)、電平信號(U2)和電平信號(U3)組成，電平信號(U3)的電平高于電平信號(U2)的電平，非線性電流反饋放大器(5-1)的一個輸入端連電流/電壓變換器(8)的輸出端，非線性電流反饋放大器(5-1)的另外兩個輸入端分別連電平信號(U3)和電平信號(U2)的輸出端，非線性電流反饋放大器(5-1)的輸出端連減法器(5-2)的相減端，電平信號(U1)的輸出端連減法器(5-2)的相加端，減法器(5-2)的輸出端連可控電壓源(6)的控制端。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種改善GMAW引弧過程的設(shè)備，其特征是減法器(5-2)為集成運算放大器(A3)，非線性電流反饋放大器(5-1)由集成運算放大器(A1)、集成運算放大器(A2)、二極管(D1)和二極管(D2)組成，電流/電壓變換器(8)的輸出端連集成運算放大器(A1)和集成運算放大器(A2)的同相輸入端，電源(U2)和電源(U3)分別連集成運算放大器(A1)和集成運算放大器(A2)的反相輸入端，集成運算放大器(A1)的輸出端連二極管(D1)的負極，集成運算放大器(A2)的輸出端連二極管(D2)的正極，二極管(D2)的負極連二極管(D1)的正極和集成運算放大器(A3)的反相輸入端，集成運算放大器(A3)的同相輸入端連電源(U1)的輸出端，集成運算放大器(A3)的輸出端連可控電壓源(6)的控制端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種改善GMAW引弧過程的設(shè)備，其特征是負反饋控制電路(5)由D/A轉(zhuǎn)換電路(5-4)、微處理器(5-5)和A/D轉(zhuǎn)換電路(5-6)組成，A/D轉(zhuǎn)換電路(5-6)的輸入端連電流/電壓變換器(8)的輸出端，A/D轉(zhuǎn)換電路(5-6)的輸出端連微處理器(5-5)的輸入端，微處理器(5-5)的輸出端連D/A轉(zhuǎn)換電路(5-4)的輸入端，D/A轉(zhuǎn)換電路(5-4)的輸出端連可控電壓源(6)的控制端。
全文摘要
本發(fā)明公開一種熔化極氣體保護焊引弧過程的控制方法和設(shè)備——改善GMAW引弧過程的方法和設(shè)備。方法如下(一)起動焊接設(shè)備(11)；(二)引弧(12)；(三)檢測輸出電流(13)；(四)判斷輸出電流i在兩個給定電流值i
文檔編號B23K9/10GK1559736SQ20041001359
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月2日
發(fā)明者耿正, 耿 正 申請人:哈爾濱工業(yè)大學