專利名稱：閃光對(duì)焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及閃光對(duì)焊，主要涉及大截面工件的焊接，并可應(yīng)用于采用閃光對(duì)焊的多種工業(yè)之中。
已知一種具有硬性的閃光速度程序控制的閃光對(duì)焊工藝方法(“閃光對(duì)接工藝與設(shè)備”勃.德.奧爾洛夫，尤.維.德米特里也夫等人，莫斯科“機(jī)械制造”1975，見第280頁)，其中為焊接和頂鍛的許可量作了編程。這些系統(tǒng)均在以下條件下可靠地從事操作，其中閃光的自身調(diào)整在一廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)，亦即在焊接較小截面(直至1000-1500mm2)工件和具有預(yù)熱的焊接的時(shí)候得以確保。速度變更程序是借助于各凸輪裝置而確定的，并且是硬性的。
按照行程編程的各系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是，于焊接之前需要精確制備各有待焊接的工件的末端端面。焊接之前工件的不精確定位、工件間的不一致間隙、邊沿制備的幾何尺寸變化，所有這些偏差都要適當(dāng)?shù)匦Ｕ罴验W光預(yù)留量和改變所確定的程序，特別是在焊接大截面的時(shí)候，此時(shí)閃光激發(fā)過程尤其困難，而且需要高能量。
已知有一種連續(xù)閃光對(duì)焊方法，其中采用了一種電流負(fù)反饋系數(shù)，在焊接期間它隨電壓的改變而改變。借助這種方法的閃光過程在斯.伊.庫申克-亞岑柯所編一書的第55-59頁上有所說明，此書是“路軌閃光對(duì)焊設(shè)備及其操作”，基輔?！翱茖W(xué)之家”，1974。此方法可用于大截面工件的連續(xù)閃光對(duì)焊。變壓器電壓和閃光速度的變化規(guī)律設(shè)定為閃光時(shí)間的函數(shù)。在采用上述方法焊接時(shí)，在焊接之初設(shè)定焊接電流負(fù)反饋系數(shù)，而在某段時(shí)間之后，在焊接電壓變換時(shí)刻，改變負(fù)反饋系數(shù)。采用這一方法，負(fù)反饋系數(shù)的改變與焊接電壓的改變相連系。
在此方法中，負(fù)反饋系數(shù)的改變不與被焊接工件的加熱相連系。采用這一方法，各工件靠攏一起的速度和電流負(fù)反饋系數(shù)是在焊接之前設(shè)定的。在各工件觸接之后，焊接電流流經(jīng)焊接電路而開始閃光。閃光速度(實(shí)際靠攏速度)既由設(shè)定的各工件靠攏速度，也由電流負(fù)反饋系數(shù)予以確定。在焊接初始，當(dāng)零件各末端端面很冷時(shí)，閃光過程需要高能量。當(dāng)被焊接的工件受熱時(shí)，焊接電流下降，如果設(shè)定的靠攏速度較低(量級(jí)為0.1-0.4mm/s)的話，降低焊接電流(由于加熱被焊接的工件)可導(dǎo)致減少能耗和加熱強(qiáng)度。在此情況下，加熱被焊接工件的強(qiáng)度也隨著消耗在工件加熱中的能量損失由于閃光速度增大時(shí)變大而被降低。降低加熱強(qiáng)度會(huì)使焊接時(shí)間增加。此時(shí)如果設(shè)定的工件靠攏速度很大，激發(fā)焊接過程就成問題了。在過程的初始可能過渡到短路狀態(tài)。此方法在電壓變換時(shí)刻會(huì)有焊接電壓的降低和電流負(fù)反饋系數(shù)的變化。這一技術(shù)會(huì)稍許增大加熱強(qiáng)度。不過，由于降低焊接電壓可導(dǎo)致減低焊接機(jī)的設(shè)定功率以及有用功率，這一措施是不夠有效的。
此方法不允許在閃光期間評(píng)估被焊接工件末端端面物理?xiàng)l件的變化。這就基本上影響了焊接連接的質(zhì)量和形成一種堅(jiān)固連接的穩(wěn)定性。這一方法不會(huì)自動(dòng)選定改變電壓和實(shí)施頂鍛的最有利時(shí)刻。
已知有一種閃光對(duì)焊方法，其中在被焊接工件已經(jīng)達(dá)到規(guī)定的溫度時(shí)切換為頂鍛。(USSR A.C.241567)。居里點(diǎn)取作規(guī)定的預(yù)熱溫度，而采用一種測(cè)定被焊接的各末端端面的預(yù)熱區(qū)大小的電磁裝置來給出指令脈沖。
閃光對(duì)焊中焊接連接的質(zhì)量不僅是由預(yù)熱區(qū)確定，還由許多其他因素確定，例如預(yù)熱區(qū)的溫度場(chǎng)梯度、各末端端面加熱溫度、電源電壓變化、閃光特性、加熱時(shí)和頂鍛前的閃光速度、頂鍛值和許多其他因素。上述方法只考慮加熱區(qū)的寬度，而它并末提供焊接連接質(zhì)量的穩(wěn)定性。
已知有一種閃光對(duì)焊方法(A.C.313628)，其中閃光過程改變?yōu)閹в须S后頂鍛的加速閃光。閃光速度值是一種用于切換上加速閃光和頂鍛的信號(hào)。
此方法并末設(shè)想出在加熱階段，亦即在最長的焊接階段當(dāng)中，控制焊接過程。
在焊接工件時(shí)，此方法并未允許評(píng)估被焊接工件的加熱程度，或者在確保高質(zhì)量的焊接連接最為有利時(shí)刻切換到加速閃光和頂鍛操作。
已知有一種閃光對(duì)焊過程的調(diào)整方法(USSR A.C.593857)，這種調(diào)整根據(jù)由于對(duì)比表征焊接過程的參數(shù)的實(shí)際和規(guī)定值而生成的失配信號(hào)，由機(jī)器動(dòng)板的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。在此情況下，在對(duì)縫中包含的能量用作表征閃光過程的參數(shù)，以便在由電壓或過程的其他各種能量參數(shù)的不斷出現(xiàn)的擾動(dòng)下穩(wěn)定連接的質(zhì)量。
此方法提供了焊接中加熱的穩(wěn)定性，由于工件的加熱在此情況下并不依賴于確定加熱的焊接模式各參數(shù)的隨機(jī)變化。
然而，在焊接大截面的零件時(shí)，被焊接工件不可能達(dá)到所需的加熱，而且這種焊接過程并未設(shè)想各焊接參數(shù)(例如焊接電壓、反饋系數(shù)、閃光速度)的校正。
已知有一種閃光對(duì)焊設(shè)備和方法(美國專利4101753)，主要是關(guān)于連續(xù)軋制生產(chǎn)線中鋼帶端部的閃光對(duì)焊和為實(shí)施這一方法的相應(yīng)設(shè)備，其中饋進(jìn)連接區(qū)的能量是連續(xù)測(cè)定的，而在規(guī)定能量值已經(jīng)達(dá)到時(shí)在頂鍛階段電流被切斷。此設(shè)備包括工件移動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電流供給、頂鍛驅(qū)動(dòng)、連接到焊接變壓器初級(jí)繞組里的點(diǎn)火接觸器，和機(jī)器控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括連接于閃光階段能量測(cè)定裝置的存儲(chǔ)單元、整個(gè)焊接循環(huán)期間供給的能量與能量參考值的對(duì)比單元，以及形成接觸器斷開指令的輸出邏輯單元。在此情況下，在頂鍛階段供給的能量大小取決于在閃光階段供給的能量。還配置了一種裝置，用于記錄和儲(chǔ)存過程每一階段中的能量數(shù)值，以此可能評(píng)估焊接連接的質(zhì)量。
此設(shè)備無論電源電壓變化如何都可以向被焊接工件供給同樣大小的能量。不過，在焊接中，被焊接工件的加熱不僅受輸入能量大小的影響，而且還受閃光特性的影響，而且此設(shè)備并未設(shè)想控制或校正各焊接參數(shù)(例如，焊接電壓、反饋系數(shù)、閃光速度)。此外，它并未設(shè)想為選定頂鍛實(shí)施的最為有利時(shí)刻而自動(dòng)控制平均閃光速度。這就本質(zhì)上影響了焊接連接的質(zhì)量及堅(jiān)固連接形成的穩(wěn)定性。
已知有一種閃光對(duì)焊焊接機(jī)的控制電路(美國專利4383162)，目的是用以根據(jù)閃光能量來調(diào)節(jié)對(duì)焊焊接機(jī)中頂鍛的起動(dòng)。這一電路可以具有一些附加的元件，允許根據(jù)焊接機(jī)動(dòng)板的位置調(diào)整頂鍛起點(diǎn)。焊工能夠選定頂鍛起點(diǎn)的控制方法。此電路可以補(bǔ)充一些元件，用于在頂鍛之前焊接循環(huán)期間控制焊接機(jī)動(dòng)板的移動(dòng)。
這一電路可提供焊接小截面時(shí)的加熱穩(wěn)定性，由于在此情況下工件加熱不取決于確定加熱的焊接模式各參數(shù)的隨機(jī)變化。不過，加熱穩(wěn)定性是一種必需但不充分的用于確保連接質(zhì)量穩(wěn)定的條件，尤其是在使用一有限功率的能源在機(jī)器中焊接大截面工件的時(shí)候。在焊接大截面工件時(shí)，不校正各焊接參數(shù)就不可能達(dá)到被焊接工件所需的加熱，而此電路并未設(shè)想校正各焊接參數(shù)(例如，焊接電壓、反饋系數(shù)、閃光速度)。
一項(xiàng)影響連接質(zhì)量的重要因素是在頂鍛之前時(shí)刻的閃光速度。在此情況下，閃光速度理解為是一個(gè)表征各末端端面閃光過程的參數(shù)(每單位時(shí)間的熔化金屬量)，而不是機(jī)器動(dòng)板的行程。采用這一電路焊接時(shí)，可在不同的閃光速度值處發(fā)生頂鍛的切換。因此，連接質(zhì)量將會(huì)不同。此時(shí)，頂鍛之前不充分的工件閃光速度將導(dǎo)致不良的連接質(zhì)量。這一因素在焊接機(jī)由一有限功率的電源供能時(shí)加重了。這一點(diǎn)是上述方法的一項(xiàng)缺點(diǎn)。
已知有一種閃光對(duì)焊方法(日本專利L2-57785)，其中頂鍛起動(dòng)時(shí)刻是由聚積在被焊接工件之中的熱能數(shù)量確定的，以便優(yōu)化閃光對(duì)焊的模式。為此目的，來自連接于焊接變壓器初級(jí)繞組的功率傳感器的數(shù)據(jù)，以及來自位于焊接區(qū)之內(nèi)的傳感器關(guān)于在跨接突發(fā)期間自間隙飛出的火花數(shù)量的數(shù)據(jù)，都被送進(jìn)焊接機(jī)的控制系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)，在隨后按照被焊接工件橫截面積劃分各信號(hào)之后，可確定為末端端面熔化所消耗能量的規(guī)定值和從間隙射出跨接金屬時(shí)熱能損失，此后，系統(tǒng)找出兩項(xiàng)能量差之后，且當(dāng)此值變得等于預(yù)設(shè)之值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出頂鍛指令。
這一方法可確保在頂鍛切換時(shí)刻輸入能量的可重復(fù)性，但是由于加熱受到閃光特性的影響，這不足以形成所需的穩(wěn)定加熱。這一過程并未設(shè)想各焊接參數(shù)的變化，例如電流反饋系數(shù)、電壓等等的變化。其次，它并未設(shè)想或確定在一預(yù)設(shè)閃光速度下自動(dòng)控制頂鍛切換的時(shí)刻或過渡到一較高閃光速度。頂鍛可以在不同閃光速度值下予以切換。因此，連接質(zhì)量會(huì)有所不同。此時(shí)，頂鍛之前不充分的工件閃光速度會(huì)導(dǎo)致連接的不良質(zhì)量。這一因素當(dāng)焊接機(jī)由一具有有限功率的電源供電時(shí)加重了。這一點(diǎn)是上述方法的一項(xiàng)缺點(diǎn)。
最為接近本申請(qǐng)方法的方法是被選作原型的閃光對(duì)焊方法(USSRA.C.1278154，烏克蘭專利317)，其中在焊接中測(cè)定各焊接參數(shù)、設(shè)定行走速度Vt值并在焊接中改變負(fù)反饋的影響。在此情況下，負(fù)反饋的影響隨著被焊接工件受熱而降低。在焊接密實(shí)截面時(shí)，負(fù)反饋的影響由于負(fù)反饋系數(shù)的減小而降低。在焊接薄壁工件時(shí)，負(fù)反饋的影響由于增大機(jī)器動(dòng)座的行走速度設(shè)定值而降低。被焊接工件的加熱由閃光時(shí)間予以評(píng)估，而負(fù)反饋的影響隨閃光時(shí)間經(jīng)過而降低，或者由工件閃光的程度予以評(píng)估，而負(fù)反饋的影響隨著工件閃光的增強(qiáng)而降低。此外，此方法設(shè)想當(dāng)實(shí)際閃光速度超過設(shè)定閃光速度時(shí)負(fù)反饋的影響有某種降低。此方法還設(shè)想出負(fù)反饋的初始值降低的值正比于所消耗電能的值、閃光在一較高速度下切換和按照一預(yù)設(shè)程序頂鍛。
這一方法在焊接中形成了穩(wěn)定的加熱，由于在此情況下工件加熱不依賴于確定加熱的焊接模式各參數(shù)的隨機(jī)變化。
在此方法的各項(xiàng)缺點(diǎn)之中有一項(xiàng)是，當(dāng)主要用在重型電焊設(shè)備之中時(shí)，焊接電流流動(dòng)的中斷可能出現(xiàn)在分開被焊接工件末端端面的時(shí)刻，這會(huì)造成加熱效率低下。這與以下事實(shí)相關(guān)，即大型焊接機(jī)的動(dòng)座具有相當(dāng)大的重量，而結(jié)果是，具有很大的慣性。因此，當(dāng)被焊接工件以高速離開時(shí)，動(dòng)板可能移動(dòng)得遠(yuǎn)過一個(gè)位置，在此位置焊接電流降低到為工件靠攏而發(fā)出信號(hào)時(shí)所對(duì)應(yīng)的值。這樣可導(dǎo)致正作閃光的各末端端面之間的接觸橋路斷開，以及導(dǎo)致出現(xiàn)在焊接電流方面比為維持穩(wěn)定閃光所需的降低大得多的降低，或者焊接電流流動(dòng)完全的中斷。
這一原型的另一缺點(diǎn)是，工件靠攏和分開的速度是取決于流經(jīng)被焊接工件的電流的數(shù)值。與此相關(guān)，可能出現(xiàn)以下的負(fù)面現(xiàn)象。在較小的工件靠攏信號(hào)下，機(jī)器的動(dòng)板將相應(yīng)地以較小速度向前移動(dòng)，而接觸橋路的形成和發(fā)展的速度，以及因而還有流經(jīng)被焊接工件的電流的升高速率，也將是較小的。另一方面，在較大的使被焊接工件離開的信號(hào)下，機(jī)器的運(yùn)動(dòng)部件將相應(yīng)地以高速向后移動(dòng)，而結(jié)果是，接觸橋路將很快斷開和冷卻，而流經(jīng)被焊接工件的電流下降速率也將相應(yīng)地是很高的。因此，加熱被焊接工件的有效性將不足夠高，由于為達(dá)到最大加熱有效性，需要電流升高的最大可能速率和其下降的最小可能速率。如果此過程得以監(jiān)測(cè)和控制，改變每一微小預(yù)設(shè)焊接時(shí)段中的各焊接參數(shù)，這是可以實(shí)現(xiàn)的。
影響連接質(zhì)量一個(gè)重要因素是在頂鍛之前時(shí)刻的閃光速度。在采用此方法的焊接中，可以在閃光速度的不同值下切換到頂鍛操作。此方法并不提供頂鍛實(shí)施最為有利時(shí)刻的自動(dòng)選定。這會(huì)顯著地影響焊接連接的質(zhì)量和一種堅(jiān)固連接的生產(chǎn)穩(wěn)定性。因此，連接的質(zhì)量將是不同的。這時(shí)，不足的閃光速度值將導(dǎo)致不良的連接質(zhì)量。
本發(fā)明通過強(qiáng)化被焊接工件的加熱、降低閃光預(yù)留量、整個(gè)過程的自動(dòng)化和焊成連接質(zhì)量的穩(wěn)定化而解決了提高閃光焊接效率的問題。
本發(fā)明的本質(zhì)在于，在所申請(qǐng)的閃光對(duì)焊的方法中，機(jī)器動(dòng)板的行走速度(Vt)和焊接電壓(U2)(由預(yù)設(shè)程序)予以改變，而行走速度通過負(fù)反饋受到焊接電流影響，電壓則能對(duì)每一閃光的固定持續(xù)時(shí)間tm間隔，作為前一閃光間隔期間閃光縮短細(xì)節(jié)的實(shí)際平均速度(Va)增量的函數(shù)，不連續(xù)地予以改變，而Va值保持在當(dāng)前水平上，低于Vt。
在焊接大型密實(shí)截面時(shí)，以及在以具有有限功率的機(jī)器焊接時(shí)，本申請(qǐng)的閃光對(duì)焊方法，針對(duì)每一規(guī)定的閃光持續(xù)時(shí)間tm間隔、作為前一閃光間隔期間Va增量的函數(shù)，提供了以不連續(xù)方式改變負(fù)反饋增強(qiáng)系數(shù)。
另外，為了在已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的間隔數(shù)量之后，于頂鍛之前快速過渡到較高速度，本發(fā)明還設(shè)想出，增大U2值和減小負(fù)反饋系數(shù)到設(shè)定值，直至閃光速度已經(jīng)達(dá)被切換到頂鍛時(shí)的速度Vf的固定值為止，或者在Qm的設(shè)定值已經(jīng)達(dá)到時(shí)，增大U2和減小負(fù)反饋系數(shù)到設(shè)定值，這些值保持不變，直至頂鍛被切換上為止。
本發(fā)明通過確定在一固定的閃光時(shí)期中達(dá)到固定水平的Va而確定了自動(dòng)改變各焊接參數(shù)和切換上頂鍛的最有利時(shí)刻，在此時(shí)刻必需改變各焊接參數(shù)或切換上頂鍛操作。
所提出的閃光對(duì)焊方法允許焊接過程完全自動(dòng)化，使被焊接工件的加熱穩(wěn)定，和通過焊接過程的自身調(diào)整即使在電源電壓波動(dòng)，以及在焊機(jī)電路的阻抗變化時(shí)也形成穩(wěn)定高質(zhì)的焊接對(duì)接。
分析一下類似方法(其他具有類似特點(diǎn)的已知解決辦法)、所述原型和所提出的方法，可以注意到，所提出的方法的特征在于新穎性和一些基本差異，其使得能夠達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)。
所提出的閃光對(duì)焊方法已經(jīng)以K190型機(jī)器在實(shí)驗(yàn)室中焊接R65鋼軌時(shí)作了試驗(yàn)。
確定行程的信號(hào)值設(shè)定得以致機(jī)器動(dòng)座的空載行走速度等于1.8mm/s，并在此使用了焊接電流負(fù)反饋。負(fù)反饋系數(shù)用實(shí)驗(yàn)方法選定，以致在焊接電流為10000A時(shí)，在激發(fā)起過程的初始時(shí)刻，動(dòng)座靠攏速度是零。實(shí)際閃光速度在閃光過程期間、每一固定閃光間隔1秒中不連續(xù)地予以測(cè)定。當(dāng)實(shí)際閃光速度達(dá)到0.5mm/s值時(shí)，負(fù)反饋系數(shù)以步進(jìn)方式予以改變。步長被選定得使得在零閃光速度下電流值升高2500A，而實(shí)際平均速度不超過0.5mm/s。當(dāng)實(shí)際閃光速度超過0.5m/s時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋系數(shù)的改變。在焊接電流已經(jīng)達(dá)到40000A之后，為了形成被焊接工件所需的預(yù)熱，焊接電壓降低1V和負(fù)反饋系數(shù)改變得使得實(shí)際平均閃光速度不超過0.5mm/s這一速度。在對(duì)接已耗用3kWh之后，焊接電壓自動(dòng)地增大到高達(dá)7V，而負(fù)反饋系數(shù)減低下來。當(dāng)閃光速度已經(jīng)達(dá)到1.2mm/s，進(jìn)行頂鍛。
在采用此過程的焊接中，焊接持續(xù)時(shí)間為75S。閃光預(yù)留量為12mm。在試驗(yàn)期間，焊接連接顯示出的穩(wěn)定性和質(zhì)量均優(yōu)于采用已知各種焊接方法焊接時(shí)所得到的。
權(quán)利要求
1．一種閃光對(duì)焊方法，其中機(jī)器動(dòng)板的行走速度(Vt)和焊接電壓(U2)可以由預(yù)設(shè)程序予以改變并且行走速度可以由焊接電流通過負(fù)反饋予以控制，其特征在于，針對(duì)每一閃光固定的持續(xù)時(shí)間tm間隔，作為前一閃光間隔期間閃光縮短細(xì)節(jié)的實(shí)際平均速度(Va)增量的函數(shù)，電壓不連續(xù)地予以改變，(Va)值保持在預(yù)設(shè)水平上，低于(Vt)。
2．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，針對(duì)每一預(yù)設(shè)的閃光持續(xù)時(shí)間(tm)間隔，作為前一閃光間隔期間(Va)增量的函數(shù)，負(fù)反饋的增強(qiáng)系數(shù)不連續(xù)地予以改變。
3．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的間隔數(shù)量以后，增大(U2)值和減小負(fù)反饋系數(shù)到設(shè)定值。
4．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在已經(jīng)達(dá)到(Qm)的設(shè)定值之后，增大(U2)和減小負(fù)反饋系數(shù)到預(yù)設(shè)值。
5．按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在閃光的最后階段中已經(jīng)達(dá)到(Va)的規(guī)定水平之后，頂鍛被切換上。
全文摘要
一種閃光對(duì)焊方法,其中機(jī)器動(dòng)板的行走速度(Vt)和焊接電壓(U2)可以由預(yù)設(shè)程序改變并且行走速度可以由焊接電流通過負(fù)反饋予以控制,針對(duì)每一閃光的固定持續(xù)時(shí)間(t
文檔編號(hào)B23K9/12GK1306893SQ0010167
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期2000年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月28日
發(fā)明者瑟蓋·I·庫丘克－亞森科, 亞歷山大·V·迪德科夫斯基, 米克黑爾·V·博戈?duì)査够? 瓦勒里·G·科里文科, 亞歷克西·I·戈里什恩亞科夫, 韋迪姆·P·科里沃諾斯 申請(qǐng)人:烏克蘭國家科學(xué)學(xué)會(huì)E·O·派頓電子焊接協(xié)會(huì)