[发明专利]检测熔滴短路过渡过程中缩颈形成的方法

说明书

本发明是关于电弧焊的，更具体地说，是关于熔化极气体保护焊熔滴状态的检测方法。

目前CO₂气体保护焊在焊接生产中得到了广泛应用。其中短路过渡焊接是薄板及全位置焊接领域常使用的方法。目前，短路过渡焊接存在着一个突出的缺点，即飞溅量大，造成焊接质量差及劳动生产率低，并恶化了劳动条件。如何解决这一问题是焊接工程技术人员长期以来的重要研究课题。短路过渡形成飞溅的主要来源：一是初期短路，另一原因是液态金属小桥发生爆断。熔滴的初期短路行为是指熔滴与熔池相接触，迅速分离，在此过程中不发生液体金属的过渡，而在分离时形成飞溅。小桥爆断之前100～200微秒内积累了大量的过剩能量，使得小桥爆断时处于一个高能量的状态，形成飞溅。目前采用电流控制技术减少飞溅，在短路发生的时刻将电流切换到某一较低水平并保持一段时间，在低电流的条件下，熔滴与熔池金属分离的几率大大减小，从而减少初期短路；其后，取消降流措施，使焊接电流按一定规律增长，以产生缩颈过程所必需的电磁压缩效应；而当焊丝端部与熔池之间的液体金属形成缩颈之后，迅速将电流降低，减少所积累的过剩能量，使得小桥在低能量状态下，主要依靠表面张力将其拉断并平稳过渡至熔池，这样就达到了降低飞溅的目的。然而，随之而来的是，短路过渡焊接过程中熔滴状态的检测特别是缩颈形成的检测成为该项技术的关键。由于在CO₂短路过渡焊接中存在着固有的非规律性的过渡特征，过去所提出的多种检测方法，包括检测电弧电压信号或焊接电流信号的方法均存在检测不稳定、延时严重等等问题。例如：已有的电弧电压检测方法，若判断阈值过低，则出现检测失误多，错误信号频繁：而判断阈值过高则出现检测不及时，时间余量少，无法与现有的电流切换控制技术相适应。而采用焊接电流检测技术，则由于电流信号一般采于分流器，信号为毫伏级水平，抗干扰能力差。严重地影响短路过渡低飞溅技术的发展和应用。

中国发明专利，申请号87103550.2，《控制短路型焊接系统的方法和装置》存在着上述问题。

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点，提出一种利用电弧电压及其微分来检测短路发生和缩颈形成时间的方法。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

本发明的检测熔滴短路过渡过程中缩颈形成的方法包括下列步骤：

(1)将电弧的电压信号自焊接电源输出端引出；

(2)将电弧的电压信号进行分压滤波；

(3)将分压滤波后的电压信号分别输入至短路检测电路和缩颈检测电路。

(4)在短路检测电路中对电压幅值进行判断，检测短路的发生时间并区分引弧短路与熔滴短路的电压信号；

(5)将熔滴短路后电压信号进行一阶微分、二阶微分运算，由两个比较器将其分别与判断阈值相比较，再将比较结果进行“与”运算，从而检测到液态金属缩颈形成的时刻。

其缩颈检测部分的技术要点是：利用焊接回路电流的微分di/dt与电弧电压的微分du/dt的“或”关系来判断缩颈的形成。焊接电流的检测在我国一般采用分流器，分流器的输出一般是几十毫伏，直接使用时带来的问题是利用采样保持器采得的后一时刻电流值与前一时刻电流值相减，根据误差理论，两个很小的值相减时会显著增加误差，因此其可靠程度较差，如不直接使用，势必要加入放大电路，增加了设备的复杂性。

本发明只检测电弧电压值，利用采样保持器用后一时刻的电压与前一时刻的电压相减，求出电压的一阶微分，再用后一时刻的电压微分值与前一时刻的电压微分值相减求出电压的二阶微分，电压的一阶微分与二阶微分进行“与”逻辑运算，其结果指示缩颈的产生。

如果单独使用电弧电压的一阶微分来指示是否产生缩颈，为了使检测到缩颈后为电流的控制流出必要的时间，电弧电压一阶微分的阈值必须调得很低，这样容易产生误判现象。单独使用电弧电压二阶微分时也会出现类似情况。

如果使用电弧电压一阶微分与二阶微分的“与”逻辑运算输出作为缩颈检测信号，则可显著消除误判现象，而且还可以将上述阈值适当调低，为实施电流的迅速、精确控制流出足够的时间。具体可参照附图(a)，附图中的三条曲线分别是(上)短路过渡电弧焊的电弧电压波形，(中)是电压的一阶微分波形，(下)是电压的二阶微分波形。对应电弧电压由低到高的拐点(一般认为此拐点对应缩颈)，一阶微分和二阶微分都出现正脉冲峰值，在其左右两侧，虽然一阶微分和二阶微分的值都在零值附近，但毕竟有一定幅值，这些有一定大小的零值附近的波动是阈值不能调得太低的根本原因，因此也就影响了控制时间的裕度。