專利名稱：一種脈沖電渣焊焊接系統及方法
一種脈沖電渣焊焊接系統及方法技術領域
本發明屬于焊接工藝技術領域，涉及一種焊接方法，特別是脈沖電渣焊的焊接系統及方法。
背景技術：
電渣焊發明于20世紀40年代，工作原理為利用電流通過熔渣時產生的電阻熱作為熱源，熔化母材和填充金屬來進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。電渣焊的優點主要有熔深大，生產率高， 基本無裂紋氣孔等缺陷，焊后質量好，厚大焊件能一次焊接成形。在重型機械制造業、造船業、壓力容器、橋梁、工程結構等制造領域得到廣泛應用，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，焊接熱輸入量大導致焊縫和熱影響區在高溫停留時間長，易產生晶粒粗大和過熱組織，整體焊縫接頭機械性能較差。而電渣焊多用來焊接一些在生產生活中要求耐高壓高溫的結構件，其焊縫接頭質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效率下降，因此實現焊接質量和生產效率的優化配置是一個亟需解決的問題。實際生產中，為了改善電渣焊焊后接頭和熱影響區晶粒粗大、機械性能下降的情況，多采用焊后正火和回火熱處理，實現焊縫金屬和熱影響區重結晶的過程，消除焊后殘余應力。由于焊件多為厚大焊件，且熱處理是一個價格昂貴耗時費力的過程，實施焊后熱處理有一定困難。
針對電渣焊焊后焊縫金屬和熱影響區晶粒粗大的問題，學者們相繼提出了一些解決方案，如德國的Eichhorn，Friedrich和Remmel，Josef教授研究了一種在焊接過程中高速向熔池中添加一些粉末狀的填充金屬的技術，此方法需要引進填充金屬的送給設備，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)；還有美國的 Venkataraman. S 教授和其同事研發了一種在可熔化導電嘴外部增加了一種石英套管的防護罩的方法(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.)，該方法需要在每個導電嘴安裝石英套管，其通用性較差。發明內容
本發明為克服上述的現有技術中的不足，提供一種脈沖電渣焊焊接系統和方法， 該技術方案集中脈沖焊和電渣焊的優點，焊接速度高，生產率高，焊后熔深大，同時由于脈沖的電磁振蕩作用晶粒粗大問題得到改善，從而焊接接頭獲得良好的焊接質量，機械性能得到顯著提高，并且可以實現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。
本發明的目的通過下述技術方案予以實現
一種脈沖電渣焊焊接系統，包括焊機、脈沖控制器，其中
所述脈沖控制器與焊機相連，使焊機輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號；
所述焊機的兩極分別與焊絲和待焊工件相連。
所述焊接系統中還可以包括電流傳感器和電壓傳感器，用于測量焊機輸出的電流和電壓信號。
在本發明的焊接系統中還進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(如水冷銅塊)、送絲系統等，以實現電渣焊的工藝。
利用本發明的脈沖電渣焊系統進行焊接的方法，按照下述步驟進行
首先將脈沖控制器與焊機相連，將焊機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輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號，并設置焊接峰值電流和基值電流、脈寬比和脈沖頻率
第三，設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
本發明的技術方案中，將脈沖控制器，將其連接到焊接控制電路中，使焊機輸出脈沖形式焊接電壓和電流，同時在焊接系統中進行焊接電壓和電流波形的信號采集，監測焊接過程，脈沖電渣焊可實現控制焊接熱輸入量，產生電磁振蕩，細化晶粒，改善焊接接頭的機械性能。與現有技術相比，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上外加一電流脈沖控制器，針對不同的焊接對象，可獨立調節設定相應的焊接峰值電流、基值電流大小、脈寬比和脈沖頻率等，可以實現任何電渣焊工藝與電源的組合，操作方便，通用性強。
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%，節省能量，經濟前景良好。
3.與電渣焊相比，脈沖電渣焊焊后焊縫和熱影響區晶粒度明顯變大，粗大的柱狀組織減少5 % -10 %，根據國家標準GB/T229-1994，采用標準夏氏V型缺口進行沖擊試驗，發現沖擊韌性提高5% -10%。
圖1為脈沖控制器原理圖。
圖2為CD4066的結構框圖。
圖3為鍵盤接口示意圖。
圖4為數碼管結構圖。
圖5為89S52單片機原理圖。
圖6為A/D轉換器原理圖。
圖7為信號濾波電路。
圖8為箱型梁示意圖。
圖9為實施方式1的焊接系統示意圖。
圖10為實施方式2的焊接系統示意圖。
圖11為實施方式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。
具體實施方式
下面結合具體實施方式
進一步說明本發明的技術方案。
利用前面所描述的技術方案，進行焊接工藝試驗，以箱型梁中側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。焊接系統主要包括成都振中電焊機廠生產的ZH-1250型電渣焊電源和電渣焊小車(1臺)，該焊機額定焊接電流為1250A，適用焊絲直徑2. 0-3. 2mm，采用獨特的電路設計和合理的機械結構設計方式，確保整套系統從引弧造渣到穩定焊接直至渣池引出，整個焊接過程穩定可靠地進行，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。天津大學焊接實驗室研制的雙直流脈沖協調控制器(1臺)，霍爾電壓傳感器(1臺)，電流傳感器(1臺)等設備。
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、數碼顯示器、電流給定器和接口開關構成。其特征在于MCU采用以美國ATMEL公司生產的 AT89C2051單片機為核心的控制電路，內置業FLASH程序存儲器及1 字節內部RAM。它的一個I/O接口 Pl用作數碼管掃描及驅動，另一個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；數碼顯示器采用4位八段數碼管，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獨立電位器組成；多路接口開關與電焊機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采用的是深圳美科源電子有限公司生產的CD4066芯片。⑶4066的結構框圖如圖2所示。⑶4066為由邏輯輸入信號可控的CMOS型四雙向開關。因為其構造為CMOS，所以對控制輸入信號線路影響較小。另外，由信號輸入而引起的開通(ON)阻抗變化較小，應用范圍廣，可作為斷路器、調制器、解調器等使用。CD4066接收來自AT89C2051上P3. 7、P3. 5的脈沖控制信號，并據此分別選通高、低焊接電流的給定控制信號，將信號送到直流電渣焊焊機的遙控電流控制信號端子。
2、采用陣列式鍵盤如圖3所示。
3、數碼管采用靜態鎖存顯示技術，具體的連接方式如圖4所示。
4、單片機采用美國STC公司生產的89S52型單片機，其外圍接口電路，如圖5所示。
5、A/D轉換器采用深圳市華聯興電子科技有限公司生產的AD0804芯片，具體連接如圖6所示。
6、為保證控制結果的準確性，增設了信號濾波電路，主要采用深圳美科源電子有限公司生產的LM3M運放組成的運算放大電路，如圖7所示。
實施方式1 箱型梁中側板和隔板間脈沖熔嘴式電渣焊(如附圖9所示)，具體實施步驟如下
(1)焊前準備工作側板、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有限公司生產，焊絲型號為H08Mn2Si，直徑 2. 5mm，焊劑型號為HJ431 ；
(2)焊機安裝調試步驟，包括調試好升降機構和水冷系統、安裝電流脈沖控制器、 電流和電壓傳感器，安裝方法為焊機正極輸出的電纜穿過電流傳感器中的霍爾環，電壓傳感器分別接在焊機輸出正負極兩端，安裝完畢并設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，具體焊接參數如表1所示；
(3)焊接步驟，向焊道內插入熔化嘴，使其底端距引弧劑表面10mm，對正，向熔化嘴導入焊絲，直至其頂端伸出熔化嘴5mm，焊接階段，啟動熔化嘴電渣焊機后，進入焊接過程，電渣焊焊接過程包括引弧造渣、正常焊接和收尾階段。
表1箱型梁側板和隔板脈沖熔嘴式電渣焊焊接參數
權利要求
1.一種脈沖電渣焊焊接系統，其特征在于，包括焊機、脈沖控制器，其中 所述脈沖控制器與焊機相連，使焊機輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號； 所述焊機的兩極分別與焊絲和待焊工件相連。
2.根據權利要求1所述的一種脈沖電渣焊焊接系統，其特征在于，所述焊接系統中還可以包括電流傳感器和電壓傳感器，用于測量焊機輸出的電流和電壓信號。
3.一種利用權利要求1所述的焊接系統進行焊接的方法，其特征在于，按照下述步驟進行首先將脈沖控制器與焊機相連，將焊機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輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號，并設置焊接峰值電流和基值電流、脈寬比和脈沖頻率第三，設置送絲速度和焊接速度最后，施焊。
4.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求3所述的一種焊接方法，其特征在于，所述脈寬比為20%-50%。
7.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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
本發明公開了一種脈沖電渣焊焊接系統和方法，包括焊機、脈沖控制器，其中所述脈沖控制器與焊機相連，使焊機輸出脈沖形式的焊接電壓和電流信號。該技術方案集中脈沖焊和電渣焊的優點，焊接速度高，生產率高，焊后熔深大，同時由于脈沖的電磁振蕩作用晶粒粗大問題得到改善，從而焊接接頭獲得良好的焊接質量，機械性能得到顯著提高，并且可以實現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。
文檔編號B23K25/00GK102500917SQ20111033782
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月31日 優先權日2011年10月31日
發明者丁雪萍, 朱艷麗, 李桓, 韋輝亮, 顧小燕 申請人:天津大學