專利名稱：一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)及方法
一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)及方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于焊接工藝技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種焊接方法，特別是脈沖電渣焊的焊接系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
電渣焊發(fā)明于20世紀(jì)40年代，工作原理為利用電流通過(guò)熔渣時(shí)產(chǎn)生的電阻熱作為熱源，熔化母材和填充金屬來(lái)進(jìn)行焊接的一種工藝方法，類型主要有絲極電渣焊、熔嘴電渣焊、板極電渣焊、管極電渣焊和電渣壓力焊等，其中以絲極電渣焊和熔嘴電渣焊最為常用。電渣焊可用交流或直流電源，一般多用交流。電渣焊的優(yōu)點(diǎn)主要有熔深大，生產(chǎn)率高， 基本無(wú)裂紋氣孔等缺陷，焊后質(zhì)量好，厚大焊件能一次焊接成形。在重型機(jī)械制造業(yè)、造船業(yè)、壓力容器、橋梁、工程結(jié)構(gòu)等制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，焊件厚度一般為40 450mm，材料為碳鋼，低合金鋼，不銹鋼等。但是由于厚大焊件是一次焊成，焊接速度緩慢，焊接熱輸入量大導(dǎo)致焊縫和熱影響區(qū)在高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，易產(chǎn)生晶粒粗大和過(guò)熱組織，整體焊縫接頭機(jī)械性能較差。而電渣焊多用來(lái)焊接一些在生產(chǎn)生活中要求耐高壓高溫的結(jié)構(gòu)件，其焊縫接頭質(zhì)量和性能的可靠性尤其重要。如果采用較小的焊接熱輸入則生產(chǎn)效率下降，因此實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率的優(yōu)化配置是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。實(shí)際生產(chǎn)中，為了改善電渣焊焊后接頭和熱影響區(qū)晶粒粗大、機(jī)械性能下降的情況，多采用焊后正火和回火熱處理，實(shí)現(xiàn)焊縫金屬和熱影響區(qū)重結(jié)晶的過(guò)程，消除焊后殘余應(yīng)力。由于焊件多為厚大焊件，且熱處理是一個(gè)價(jià)格昂貴耗時(shí)費(fèi)力的過(guò)程，實(shí)施焊后熱處理有一定困難。
針對(duì)電渣焊焊后焊縫金屬和熱影響區(qū)晶粒粗大的問(wèn)題，學(xué)者們相繼提出了一些解決方案，如德國(guó)的Eichhorn，F(xiàn)riedrich和Remmel，Josef教授研究了一種在焊接過(guò)程中高速向熔池中添加一些粉末狀的填充金屬的技術(shù)，此方法需要引進(jìn)填充金屬的送給設(shè)備，投資較高(Eichhorn Friedrich, Remmel Josef. Fully Mechanized Electroslag Welding of 50 To 100mm Thick Steel Sheets by the Multi-Pass Technique[J]. Welding and Cutting，1987,39(7) :108_ell3)；還有美國(guó)的 Venkataraman. S 教授和其同事研發(fā)了一種在可熔化導(dǎo)電嘴外部增加了一種石英套管的防護(hù)罩的方法(Venkataraman S，Devletim J H，Wood W E，Atteridge，D G. Grain Refinement Dependence on Solidification and Solid-State Reactions in ElectroslagWelds[J]. The Metallurgical Society/AIME, 1983 :275-288.)，該方法需要在每個(gè)導(dǎo)電嘴安裝石英套管，其通用性較差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述的現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)和方法， 該技術(shù)方案集中脈沖焊和電渣焊的優(yōu)點(diǎn)，焊接速度高，生產(chǎn)率高，焊后熔深大，同時(shí)由于脈沖的電磁振蕩作用晶粒粗大問(wèn)題得到改善，從而焊接接頭獲得良好的焊接質(zhì)量，機(jī)械性能得到顯著提高，并且可以實(shí)現(xiàn)任何電渣焊工藝與脈沖電源的組合，操作方便、可靠、通用性強(qiáng)。
本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)
一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)，包括焊機(jī)、脈沖控制器，其中
所述脈沖控制器與焊機(jī)相連，使焊機(jī)輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號(hào)；
所述焊機(jī)的兩極分別與焊絲和待焊工件相連。
所述焊接系統(tǒng)中還可以包括電流傳感器和電壓傳感器，用于測(cè)量焊機(jī)輸出的電流和電壓信號(hào)。
在本發(fā)明的焊接系統(tǒng)中還進(jìn)一步包括電渣焊使用的其他功能組成部分，如引弧槽、金屬熔池、冷卻系統(tǒng)(如水冷銅塊)、送絲系統(tǒng)等，以實(shí)現(xiàn)電渣焊的工藝。
利用本發(fā)明的脈沖電渣焊系統(tǒng)進(jìn)行焊接的方法，按照下述步驟進(jìn)行
首先將脈沖控制器與焊機(jī)相連，將焊機(jī)的兩極分別與焊絲和待焊工件相連；
其次利用脈沖控制器控制焊機(jī)輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號(hào)，并設(shè)置焊接峰值電流和基值電流、脈寬比和脈沖頻率
第三，設(shè)置送絲速度和焊接速度
最后，施焊。
其中所述峰值電流為500-1000A。
所述基值電流為200-250A。
所述脈寬比為20% -50%。
所述脈沖頻率為10-80HZ。
所述送絲速度為300-;350m · h—1
所述焊接速度為0. 8-1. 2m · IT1
本發(fā)明的技術(shù)方案中，將脈沖控制器，將其連接到焊接控制電路中，使焊機(jī)輸出脈沖形式焊接電壓和電流，同時(shí)在焊接系統(tǒng)中進(jìn)行焊接電壓和電流波形的信號(hào)采集，監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程，脈沖電渣焊可實(shí)現(xiàn)控制焊接熱輸入量，產(chǎn)生電磁振蕩，細(xì)化晶粒，改善焊接接頭的機(jī)械性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果
1.與電渣焊相比，脈沖電渣焊焊接方法是在其基礎(chǔ)上外加一電流脈沖控制器，針對(duì)不同的焊接對(duì)象，可獨(dú)立調(diào)節(jié)設(shè)定相應(yīng)的焊接峰值電流、基值電流大小、脈寬比和脈沖頻率等，可以實(shí)現(xiàn)任何電渣焊工藝與電源的組合，操作方便，通用性強(qiáng)。
2.與電渣焊相比，脈沖電渣焊焊接方法在保證同等熔深的情況下熱輸入量減少 5% _10%，節(jié)省能量，經(jīng)濟(jì)前景良好。
3.與電渣焊相比，脈沖電渣焊焊后焊縫和熱影響區(qū)晶粒度明顯變大，粗大的柱狀組織減少5 % -10 %，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T229-1994，采用標(biāo)準(zhǔn)夏氏V型缺口進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沖擊韌性提高5% -10%。


圖1為脈沖控制器原理圖。
圖2為CD4066的結(jié)構(gòu)框圖。
圖3為鍵盤接口示意圖。
圖4為數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖。
圖5為89S52單片機(jī)原理圖。
圖6為A/D轉(zhuǎn)換器原理圖。
圖7為信號(hào)濾波電路。
圖8為箱型梁示意圖。
圖9為實(shí)施方式1的焊接系統(tǒng)示意圖。
圖10為實(shí)施方式2的焊接系統(tǒng)示意圖。
圖11為實(shí)施方式1中焊接電流和電壓的波形圖，圖中上線為電壓波形圖，下線為電流波形圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。
利用前面所描述的技術(shù)方案，進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，以箱型梁中側(cè)板和隔板間脈沖熔嘴式電渣焊和脈沖非熔嘴式電渣焊焊接為例。焊接系統(tǒng)主要包括成都振中電焊機(jī)廠生產(chǎn)的ZH-1250型電渣焊電源和電渣焊小車(1臺(tái))，該焊機(jī)額定焊接電流為1250A，適用焊絲直徑2. 0-3. 2mm，采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)和合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，確保整套系統(tǒng)從引弧造渣到穩(wěn)定焊接直至渣池引出，整個(gè)焊接過(guò)程穩(wěn)定可靠地進(jìn)行，操作更加靈活方便可用于箱型梁小孔電渣焊、煉鋼廠高爐及其它各種電渣焊的形式。天津大學(xué)焊接實(shí)驗(yàn)室研制的雙直流脈沖協(xié)調(diào)控制器(1臺(tái))，霍爾電壓傳感器(1臺(tái))，電流傳感器(1臺(tái))等設(shè)備。
其中脈沖控制器原理圖如圖1所示。該控制器由MCU(微控制單元)、鍵盤、數(shù)碼顯示器、電流給定器和接口開關(guān)構(gòu)成。其特征在于MCU采用以美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C2051單片機(jī)為核心的控制電路，內(nèi)置業(yè)FLASH程序存儲(chǔ)器及1 字節(jié)內(nèi)部RAM。它的一個(gè)I/O接口 Pl用作數(shù)碼管掃描及驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)I/O接口 P3用作鍵盤和脈沖控制端口 ； 鍵盤由Reset、Mode、頻率增、頻率減、占空比增及占空比減按鍵組成。其中Mode循環(huán)選擇恒定峰值焊接電流輸出、恒定基值焊接電流輸出、峰值-基值脈沖焊接電流輸出；數(shù)碼顯示器采用4位八段數(shù)碼管，其中前兩位表示0. l-99Hz的脈沖頻率，后兩位表示5-95%的脈沖占空比；電流給定器是由兩個(gè)獨(dú)立電位器組成；多路接口開關(guān)與電焊機(jī)給定電位器端子板連接。以下是該控制器具體元件與連接的介紹
1、控制器中的高速電子開關(guān)采用的是深圳美科源電子有限公司生產(chǎn)的CD4066芯片。⑶4066的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。⑶4066為由邏輯輸入信號(hào)可控的CMOS型四雙向開關(guān)。因?yàn)槠錁?gòu)造為CMOS，所以對(duì)控制輸入信號(hào)線路影響較小。另外，由信號(hào)輸入而引起的開通(ON)阻抗變化較小，應(yīng)用范圍廣，可作為斷路器、調(diào)制器、解調(diào)器等使用。CD4066接收來(lái)自AT89C2051上P3. 7、P3. 5的脈沖控制信號(hào)，并據(jù)此分別選通高、低焊接電流的給定控制信號(hào)，將信號(hào)送到直流電渣焊焊機(jī)的遙控電流控制信號(hào)端子。
2、采用陣列式鍵盤如圖3所示。
3、數(shù)碼管采用靜態(tài)鎖存顯示技術(shù)，具體的連接方式如圖4所示。
4、單片機(jī)采用美國(guó)STC公司生產(chǎn)的89S52型單片機(jī)，其外圍接口電路，如圖5所示。
5、A/D轉(zhuǎn)換器采用深圳市華聯(lián)興電子科技有限公司生產(chǎn)的AD0804芯片，具體連接如圖6所示。
6、為保證控制結(jié)果的準(zhǔn)確性，增設(shè)了信號(hào)濾波電路，主要采用深圳美科源電子有限公司生產(chǎn)的LM3M運(yùn)放組成的運(yùn)算放大電路，如圖7所示。
實(shí)施方式1 箱型梁中側(cè)板和隔板間脈沖熔嘴式電渣焊(如附圖9所示)，具體實(shí)施步驟如下
(1)焊前準(zhǔn)備工作側(cè)板、隔板和襯板加工、組裝，箱體的組裝如圖8所示，引弧和熄弧板的安裝。所用的焊材由天津大橋焊材集團(tuán)有限公司生產(chǎn)，焊絲型號(hào)為H08Mn2Si，直徑 2. 5mm，焊劑型號(hào)為HJ431 ；
(2)焊機(jī)安裝調(diào)試步驟，包括調(diào)試好升降機(jī)構(gòu)和水冷系統(tǒng)、安裝電流脈沖控制器、 電流和電壓傳感器，安裝方法為焊機(jī)正極輸出的電纜穿過(guò)電流傳感器中的霍爾環(huán)，電壓傳感器分別接在焊機(jī)輸出正負(fù)極兩端，安裝完畢并設(shè)置焊接峰值電流和基值電流、脈寬比、脈沖頻率、送絲速度和焊接速度，具體焊接參數(shù)如表1所示；
(3)焊接步驟，向焊道內(nèi)插入熔化嘴，使其底端距引弧劑表面10mm，對(duì)正，向熔化嘴導(dǎo)入焊絲，直至其頂端伸出熔化嘴5mm，焊接階段，啟動(dòng)熔化嘴電渣焊機(jī)后，進(jìn)入焊接過(guò)程，電渣焊焊接過(guò)程包括引弧造渣、正常焊接和收尾階段。
表1箱型梁側(cè)板和隔板脈沖熔嘴式電渣焊焊接參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)，其特征在于，包括焊機(jī)、脈沖控制器，其中 所述脈沖控制器與焊機(jī)相連，使焊機(jī)輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號(hào)； 所述焊機(jī)的兩極分別與焊絲和待焊工件相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)，其特征在于，所述焊接系統(tǒng)中還可以包括電流傳感器和電壓傳感器，用于測(cè)量焊機(jī)輸出的電流和電壓信號(hào)。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接的方法，其特征在于，按照下述步驟進(jìn)行首先將脈沖控制器與焊機(jī)相連，將焊機(jī)的兩極分別與焊絲和待焊工件相連； 其次利用脈沖控制器控制焊機(jī)輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號(hào)，并設(shè)置焊接峰值電流和基值電流、脈寬比和脈沖頻率第三，設(shè)置送絲速度和焊接速度最后，施焊。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述峰值電流為500-1000A。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述基值電流為200-250A。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述脈寬比為20%-50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述脈沖頻率為10-80HZ。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述送絲速度為300-350m化人
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述焊接速度為0.8-1. 2m化―1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種脈沖電渣焊焊接系統(tǒng)和方法，包括焊機(jī)、脈沖控制器，其中所述脈沖控制器與焊機(jī)相連，使焊機(jī)輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號(hào)。該技術(shù)方案集中脈沖焊和電渣焊的優(yōu)點(diǎn)，焊接速度高，生產(chǎn)率高，焊后熔深大，同時(shí)由于脈沖的電磁振蕩作用晶粒粗大問(wèn)題得到改善，從而焊接接頭獲得良好的焊接質(zhì)量，機(jī)械性能得到顯著提高，并且可以實(shí)現(xiàn)任何電渣焊工藝與脈沖電源的組合，操作方便、可靠、通用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)B23K25/00GK102500917SQ20111033782
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者丁雪萍, 朱艷麗, 李桓, 韋輝亮, 顧小燕 申請(qǐng)人:天津大學(xué)