專利名稱：低飛濺二氧化碳保護(hù)焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接設(shè)備，主要用于二氧化碳?xì)怏w保護(hù)自動和半自動焊接。
在二氧化碳焊接中，飛濺是一個非常討厭的問題。為了減少飛濺，多年來，人們想出了各種辦法。其中最主要的是降低電弧電壓，使電弧長度盡可能地短，使熔滴有更多的機會以短路的方式過渡到熔池中去。但過短的電弧使母材受熱不足，焊縫成形不良，窄而高。當(dāng)需要用大電流進(jìn)行焊接時，為了得到合適的焊縫成形，必需使用較高的電壓，這時飛濺往往會達(dá)到難以容忍的程度。因此，一般情況下，CO2焊接多限于小電流、低電壓、焊接薄板的用途。
研究表明，CO2焊接時的飛濺主要發(fā)生在短路過渡兩個危險的瞬間熔滴剛接觸熔池的開始和電弧即將重新引燃的結(jié)尾。蘇聯(lián)《自動焊》雜志88.12沙拉也夫(CAPAEB)“CO2短路焊熔滴過渡的控制”一文詳述了各種減少CO2焊接飛濺的方法。文中可看到所有方法的共同特點都是設(shè)法減少這兩個危險瞬間的電爆炸能量。其辦法是在短路剛開始和將結(jié)束兩個瞬間把電流降低，而只在短路中間階段允許較大的短路電流，以保證足夠的電磁收縮力，促使熔滴液態(tài)金屬迅速過渡到熔池中去。為了達(dá)到上述目的，需要對焊接電弧狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的檢測，并在準(zhǔn)確的瞬間快速地切換，使電流迅速變化。考慮到CO2焊接中熔滴過渡頻率很高又無規(guī)律，整個短路過程歷時僅若干毫秒，因此要準(zhǔn)確地測出上述兩個危險瞬間并足夠快速地作出反應(yīng)，需要非常復(fù)雜的電控設(shè)備，并且也往往不能完全奏效。而對于那些不造成短路的熔滴更是毫無辦法。
脈動送絲的出現(xiàn)為CO2焊接控制飛濺提供了新的可能。
在脈動送絲中焊絲的運動是脈動的一送一停，而不像等速送絲中那樣是恒定的。脈動的焊絲運動給焊絲一種新的過渡動力。短路時不需要電磁收縮力作為推動力。即使不短路，也會主動地沖向熔池中去。這樣就有可能不必準(zhǔn)確地檢測電弧狀態(tài)，而只要在熔滴發(fā)生過渡前后的一段時間內(nèi)，始終把電流保持在低值，而在其他時間則維持大電流。這樣做可以保證熔滴過渡過程必然發(fā)生在小電流區(qū)間，既大大地簡化了控制手段，又提高了控制的有效程度。不僅可以控制短路過渡，也可以用于非短路過渡，因此特別適合于大電流高電壓的焊接。
一般的脈動送絲中，為了保證夾頭可靠地夾持焊絲，從而保證焊絲可靠地送進(jìn)，都是使主動夾頭對固定不動的止退夾頭作直線往復(fù)運動。蘇聯(lián)《自動焊》雜志80.1伏洛巴依(BOPOIIAM)“脈動送絲的電磁機構(gòu)”一文選擇了電磁鐵作為送進(jìn)動力，夾頭放在送絲機的中部。當(dāng)送絲阻力變化時，電磁鐵送進(jìn)焊絲的距離將發(fā)生改變，引起電弧不穩(wěn)。而送絲過程中不可避免的鐵末銅屑及油污又很容易把夾頭堵塞住，使夾頭不能可靠地夾持焊絲。焊絲打滑，送絲不穩(wěn)，夾頭也很快磨損。正是因為這些原因，脈動送絲并沒有在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。
本發(fā)明提出一種使主動夾頭作近似直線運動的脈動送絲機，從而可使用簡單可靠的由馬達(dá)直接帶動的曲柄搖桿四連桿機構(gòu)來送進(jìn)焊絲。夾頭是開放型的，即使有鐵末銅屑及油污也會被拋出去，不堵塞夾頭，從而保證了夾頭長期可靠地工作和送絲的穩(wěn)定性。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖1為CO2焊接短路過渡過程圖。
圖2為圖1中ta瞬間發(fā)生飛濺圖。
圖3為圖1中tb瞬間發(fā)生飛濺圖。
圖4為脈動送絲電弧燃燒過程圖。
圖5為圖4中送絲末期熔滴過渡過程圖。
圖6為根據(jù)電弧電壓訊號切換電流圖。
圖7為根據(jù)馬達(dá)送絲相位切換電流圖。
圖8為光電訊號發(fā)生器示意圖。
圖9為脈動送絲基本原理圖。
圖10為曲柄搖桿四連桿脈動送絲機工作原理圖。
圖11為夾頭結(jié)構(gòu)圖。
圖12為測力夾頭圖。
圖13為調(diào)節(jié)曲柄長度的偏心套軸圖。
圖14為偏心量調(diào)節(jié)圖。
圖15為送絲步距測定圖。
圖16為圖15中的標(biāo)尺結(jié)構(gòu)圖。
圖17為圖15中的標(biāo)尺工作原理圖。
圖1是CO2焊接短路過渡過程。在電弧燃燒后期，焊絲末端的熔滴不斷長大，電弧縮短，于是在ta瞬間與熔池相接觸，電弧被短路。電弧電壓u猛烈下降，而電流i迅速增加，如圖上實線所示。在強大的短路電流作用下，焊絲與熔池間的液態(tài)金屬不斷變細(xì)，形成液橋。到最后tb瞬間，液橋被燒斷，電弧重新點燃，過程重復(fù)進(jìn)行，直到下一次再發(fā)生短路。
研究表明，飛濺主要發(fā)生在短路的開始和結(jié)束，即圖上的ta和tb兩瞬間。圖2表示了ta瞬間發(fā)生飛濺的情況。由于熔滴底部剛接觸熔池，接觸面積還很小，強大的焊接電流流過很可能把這個小接觸點立刻燒掉。由此產(chǎn)生的金屬蒸汽造成的強大爆炸力會猛烈地把熔滴從熔池表面推開，甚至使其脫離焊絲，以大顆粒飛濺的形式拋出去。在tb瞬間，如圖3所示，熔池與焊絲間的液橋已變得很細(xì)，而短路電流已上升到很大值，于是液橋也會像保險絲那樣爆炸，以大量碎顆粒的形式造成飛濺。
圖1中用虛線表示的電流波形表示控制兩個危險瞬間減少飛濺的辦法。在ta瞬間，根據(jù)檢測到的電弧電壓急降到甚低值的訊號，立刻使電流降低。經(jīng)過一段很短的時間Ta，重新回到正常狀態(tài)，于是短路電流急劇上升。到短路后期，又根據(jù)檢測到的反映液橋即將破斷的訊號(一般是這時液橋的電壓由于液橋很細(xì)已不斷上升，達(dá)到了某一臨界電壓，如圖上的Ucr)，于是又一次切換電流，使液橋在一個很低的電流下平靜地斷開。等到過了一定的時間Tb，電弧穩(wěn)定引燃后，才又恢復(fù)到正常狀態(tài)。這樣就形成了圖上短路期間電流曲線出現(xiàn)兩個低谷的現(xiàn)象。
在短路期間，電流只能短時間切換到低值，大部份時間里都還必需保持足夠的短路電流。這是為了使液橋得到足夠的電磁收縮力，變細(xì)斷開，這也就是熔滴的液態(tài)金屬過渡到熔池中去不可缺少的動力。要是沒有這個動力，那末隨著焊絲的不斷下送，液橋面積會反而變粗，電流的減少甚至?xí)挂簶驕囟炔粩嘟档?，短路過程一直繼續(xù)下去，電弧的正常燃燒過程受到破壞。因此，盡管在一個短暫的短路階段內(nèi)要兩次準(zhǔn)確快速地切換電流是極其困難復(fù)雜的事，但也不得如此，這是等速送絲熔滴過渡的本質(zhì)所決定的。
圖4表示了脈動送絲時電弧的燃燒過程。圖中V表示送絲速度，u表示電弧電壓，i電弧電流。馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一周時，其中半周，圖上的馬達(dá)送絲相位(O-π)，焊絲是不動的。焊絲反燒，電弧被拉長，電弧電壓在相當(dāng)于馬達(dá)送絲相位為π的t。瞬間達(dá)到最高。在以后的半周(π-2π)中，焊絲往下送進(jìn)，送進(jìn)瞬時速度類似電流半波整流曲線。這時電弧被縮短，熔滴向熔池靠擾。實驗表明，焊絲的突然起動，會把熔滴帶著一起加速。到送進(jìn)末期，相當(dāng)于圖上送絲相位為2π時，雖然焊絲已停止前進(jìn)，熔滴由于本身的慣性，仍會繼續(xù)沖向熔池，好像是被焊絲“摔”到熔池中去的那樣。圖5表示了這種情況。這種因慣性造成的新的過渡動力，使熔滴過渡大大地減少了對電磁收縮力的依賴，對熔滴過渡極其有利。甚至即使不短路，熔滴也會主動脫離焊絲過渡到熔池中去。
在圖4上可以看到在送進(jìn)末期，電弧最短，圖上用實線表示的電流值最高。這種情況下，熔滴如接觸熔池仍有可能被整個彈出。在短路最后階段，液橋也可能發(fā)生猛烈爆炸，引起較大飛濺?？紤]到熔滴所具有的主動飛向溶池的能力，因此完全可以在焊絲下降到最低點前的一定時間就切換電流，使電流降到低值。到最低點確實已經(jīng)過去，過渡結(jié)束后的一定時間才恢復(fù)正常，像圖上虛線所表示的電流波形那樣。也就是說把焊絲最低點附近與過渡有關(guān)的前后區(qū)間都包括在電流切換范圍內(nèi)，使過渡一定發(fā)生在電流很小的時候。這樣做使控制大為簡化，不再要求極其準(zhǔn)確快速，可以使用普通可控硅電源，而控制有效程度大大提高。
在焊絲最低點前后切換電流可根據(jù)各種不同的訊號進(jìn)行。圖6是根據(jù)電弧電壓訊號進(jìn)行切換的方法。圖中M是送絲馬達(dá)，F(xiàn)是送絲機。從焊絲盤(1)中出來的焊絲(2)由電源(3)供電進(jìn)行焊接。電弧電壓訊號器(4)通過電源內(nèi)部的電流切換系統(tǒng)(5)改變電源輸出的電流。如圖4中虛線所示，當(dāng)電弧電壓下降到某一預(yù)定的Ua后，電流降低。當(dāng)電壓又恢復(fù)到另一預(yù)定的Ub后，電流恢復(fù)正常。
圖7表示根據(jù)馬達(dá)送絲相位進(jìn)行切換的方法。與圖6不同的是在馬達(dá)軸的另一端裝著一個光電訊號發(fā)生器(6)。圖8是其示意圖。送絲馬達(dá)軸上(7)固定著一個圓盤(8)，圓盤邊上開有許多均勻分布的小孔(9)。光源(10)發(fā)出的光束通過小孔被光電訊號轉(zhuǎn)換器(11)所接收和放大。在圓盤上某一個相當(dāng)于馬達(dá)剛開始往下送絲的A處(圖4中送絲相位π時)卻缺少一個小孔。這樣通過小孔的光束可反映出馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時相對于A點的相位，也就是送絲的相位和時間間隔。如圖4所示，如在相當(dāng)于開始往下送絲的to瞬間后的ta時開始切換電流，到tb時又恢復(fù)正常，也一樣地可以得到虛線所示的電流曲線。
在具體實施時，Ua和Ub可取比最低可能的電弧電壓略高一些，如20～22伏。ta在to后的120°，tb在ta后的120°，即電流切換成低值的時間約占整個周期的1/3。
也可以采取不是把電源作突然的切換，而是逐漸變化的方式。如可以按前面所說的根據(jù)電弧電壓訊號的方法，當(dāng)電弧電壓較高時，電源輸出較高的電壓，從而使電弧電流較大。而當(dāng)電弧電壓較低時，電流也降低。同樣地也可以根據(jù)馬達(dá)送絲相位訊號的方法，在相當(dāng)于焊絲的最高點(圖4中送絲相位π時)，電源供給電源最大的電流，而隨著焊絲位置的下降，電流也降低。在送絲相位相當(dāng)于焊絲最低點時，電流減到最小。這樣做都能使熔滴過渡一定發(fā)生在小電流狀態(tài)。
圖9表示脈動送絲的基本原理。焊絲由夾頭(20、21)所夾持。夾頭由環(huán)狀錐套(22)及在錐套內(nèi)相互間隔成120°的三個鋼球(23)所組成。夾頭(20)由馬達(dá)直接帶動作往復(fù)運動，稱主動夾頭。夾頭(21)靜止不動，稱止退夾頭。當(dāng)主動夾頭(20)如圖所示往左運動時，焊絲被鋼球和錐套的斜面所組成的“楔面自鎖”作用所夾持，被帶動前進(jìn)。當(dāng)夾頭(20)向右后退時，焊絲由于止退夾頭(21)的阻擋，不能跟著退回來，只能停在原處不動。于是主動夾頭(20)沿著焊絲空滑回原處。這樣焊絲便一進(jìn)一停。主動夾頭每往復(fù)運動一次，焊絲便“前進(jìn)-停頓”一次，送進(jìn)一個步距，也就是圖上主動夾頭運動的幅度S。馬達(dá)每轉(zhuǎn)一周，主動夾頭往復(fù)運動一次，焊絲送進(jìn)一個步距。所以送絲頻率也就是馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，而送絲速度也就等于馬達(dá)轉(zhuǎn)速乘以步距。
研究表明，主動夾頭并不一定要非常嚴(yán)格地沿著一根直線像上圖那樣運動。主動夾頭稍許歪斜一些，運動軌跡只要近似直線就能可靠地發(fā)揮作用，使焊絲作脈動運動。這就為簡化送絲機構(gòu)提高其可靠性創(chuàng)造了條件。圖10表示曲柄搖桿四連桿脈動送絲機的工作原理。四連桿機構(gòu)ABCD中AB是曲柄，BC是連桿，CD是搖桿。主動夾頭(20)固定在連桿BC上靠近搖桿CD的一端。為了增加送絲力，主動夾頭可以用多個。止退夾頭(21)靜止不動，曲柄AB由馬達(dá)直接帶動繞A點旋轉(zhuǎn)，帶動連桿BC及搖桿CD一起運動。連桿BC和搖桿CD的結(jié)點C在一個弧線LCR上左右擺動，弧線的中心是搖桿CD的基點D。弧線的長度大約是曲柄運動所作的圓的直徑，也就是送絲步距S。固定在連桿一端C點上的主動夾頭(20)的運動軌跡，基本上也是一根接近LCR的弧線。由于主動夾頭(20)對止退夾頭(21)所作的相對運動，焊絲(2)便被脈動送進(jìn)了。
實際上在上述情況下，主動夾頭(20)不僅有左右的擺動，也有上下的起伏。焊絲(2)也不是保持一直線，而是被不斷彎折的。為了使上述起伏和彎折的情況減少到最小，曲柄搖桿機構(gòu)應(yīng)盡量設(shè)計成1、連桿BC和搖桿CD的長度遠(yuǎn)大于曲柄AB的長度；2、當(dāng)搖桿CD擺動到中間的位置時，搖桿CD應(yīng)垂直連桿BC，即CDBC；3、當(dāng)搖桿CD擺動到中間位置時，其延長線應(yīng)通過裝在連桿BC上的主動夾頭(20)的焊絲出口處。只有這樣弧線LCR才最近似一根水平的直線，而主動夾頭(20)送出來的焊絲(2)起伏和彎折最小。
實際應(yīng)用時，曲柄AB長度為步距的一半，一般為1至2毫米。取連桿和搖桿的長度20倍于曲柄，即20至40毫米?？梢宰C明，此時主動夾頭(20)的運動已相當(dāng)精確地接近理論上的直線運動了。
圖11表示夾頭(20、21)的實際結(jié)構(gòu)。夾頭是一個整體。錐套(22)從外殼(24)的一端塞入，大口朝外。保持架(26)和導(dǎo)向管(25)從另一端插入。保持架(26)一端有三個均勻相隔120°的小孔容納鋼球，依靠彈簧(28)的作用把鋼球壓在錐套(22)的錐面上。導(dǎo)向管(25)由卡環(huán)(27)固定保持在夾頭中心線上。導(dǎo)向管(25)管身部份的外徑略小于保持架(26)的內(nèi)徑，約0.2毫米，保持架因此可在導(dǎo)向管上自由滑動，但不會過份傾斜，以保證三個鋼球始終處于垂直于焊絲的平面內(nèi)。導(dǎo)向管前端一直伸到鋼球附近，使焊絲在夾頭內(nèi)一直以直線狀態(tài)保持在夾頭中心線上，使焊絲夾持可靠。
實際應(yīng)用的鋼球直徑為3至5毫米，錐套的錐角為17°～30°。
圖12是一種可以調(diào)節(jié)最大送絲力的夾頭，稱為測力夾頭。把上述主動夾頭(20)整個地裝在一個可以在其內(nèi)部滑動的套筒(29)內(nèi)。主動夾頭(20)一端由卡環(huán)(30)擋住，另一端由壓緊塊(31)通過彈簧(32)壓緊。壓緊塊(31)靠螺紋在套筒(29)內(nèi)移動，從而可改變作用于夾頭(20)上的彈簧壓力。套筒(29)是固定在連桿上的。當(dāng)焊絲前進(jìn)的阻力小于彈簧壓力時，整個測力夾頭作為一個整體送進(jìn)焊絲。當(dāng)焊絲前進(jìn)阻力大于彈簧壓力時，盡管套筒(29)帶著壓緊塊(31)等仍照常前進(jìn)，但主動夾頭(20)卻壓縮彈簧(32)而留在原處不動，也就是不再送進(jìn)焊絲。限制最大送絲力可防止細(xì)絲或軟絲在送進(jìn)時因阻力突增(如焊絲與導(dǎo)電咀燒結(jié))而產(chǎn)生打卷現(xiàn)象。
圖13是用作調(diào)節(jié)曲柄長度的偏心套軸。當(dāng)需要改變送絲步距時，必需調(diào)節(jié)曲柄的長度。圖中偏心軸(33)由馬達(dá)直接帶動，環(huán)繞馬達(dá)中心O旋轉(zhuǎn)，本身偏心度為e1。偏心軸套(34)的一邊(圖上右側(cè))是一個偏心套，其中心O1是偏心軸(33)的偏心，本身偏心度為e2。連桿通過軸承裝在此偏心軸套(34)外。偏心軸套(34)的另一邊(圖上左側(cè))是一個以O(shè)1為中心的圓盤，穿過偏心軸套(34)的螺釘(35)把偏心軸(33)與偏心軸套(34)固定，形成一根偏心套軸。
圖14表示偏心量的調(diào)節(jié)。圖A表示當(dāng)二個偏心方向一致時，合成的偏心量為二者之和，e＝e1+e2。當(dāng)二者方向相反時，如圖B，為二者之差，e＝e1-e2。當(dāng)二者成不同角度時，合成的偏心量在e1+e2至e1-e2之間改變，從而調(diào)節(jié)了送絲的步距。
圖15表示送絲步距的測定。圖中ABCD是曲柄搖桿四連桿送絲機構(gòu)。在靠近主動夾頭(20)與焊絲(2)同一個高度平面上安裝著步距測定標(biāo)尺(36、37)。圖16表示標(biāo)尺的具體結(jié)構(gòu)。標(biāo)尺按游標(biāo)卡尺原理由二部份組成。主尺(36)固定在送絲機機座上不動，其刻度為每小格1毫米。付尺(37)固定在連桿(BC)上，與連桿(BC)及主動夾頭(2)一起運動，其刻度為每小格0.9毫米。連桿運動時，主尺(36)和付尺(37)的相對位置發(fā)生改變。根據(jù)連桿運動到左右二個極端位置時，標(biāo)尺指示的不同，即可測出步距的大小。圖17表示標(biāo)尺的工作原理。圖中狀態(tài)A表示連桿運動到最左位置，標(biāo)尺讀數(shù)為3.3。B表示連桿運動到最右位置時，標(biāo)尺讀數(shù)為5.8。由此可得出連桿的移動幅度，也就是送絲步距為5.8-3.3＝2.5毫米。深入的分析能證明，標(biāo)尺安裝位置越靠近焊絲出口處，與焊絲(2)在同一高度，其讀數(shù)越接近真實的送絲步距。
權(quán)利要求
1.一種降低CO2焊接飛濺的控制裝置，它在熔滴過渡期間，使電流降到低值，其特征是焊絲是脈動送進(jìn)的，電流在過渡開始前一定時間就已降低為低值，到過渡結(jié)束后一定時間才恢復(fù)正常。
2.按權(quán)利要求1所說的裝置，其特征是以電弧電壓作為電流切換的訊號當(dāng)電弧電壓下降到某一預(yù)定值時，電流降到低值；當(dāng)電弧電壓上升到另一預(yù)定值，電流恢復(fù)正常。
3.按權(quán)利要求1所說的裝置，其特征是以馬達(dá)送絲相位作為電流切換的訊號當(dāng)焊絲下送到某一位置時，電流下降到低值；當(dāng)送絲相位達(dá)到另一位置時，電流恢復(fù)正常。
4.按權(quán)利要求1所說的裝置，其特征是以電弧電壓作為電源輸出變化的訊號當(dāng)電弧電壓較高時，電源輸出較大的電流；當(dāng)電弧電壓降低時，電源的輸出電流也降低。
5.按權(quán)利要求1所說的裝置，其特征是以馬達(dá)送絲相位作為電源輸出變化的訊號當(dāng)焊絲處于最高位置時，電流最大；隨著焊絲位置的下降，電流也下降。
6.一種脈動送絲裝置，它由主動夾頭(20)對止退夾頭(21)作相對運動而實現(xiàn)，其特征是一個或多個主動夾頭(20)固定在曲柄搖桿四連桿機構(gòu)靠近搖桿的一端；曲柄由馬達(dá)直接帶動；連桿和搖桿的長度遠(yuǎn)大于曲柄的長度；當(dāng)搖桿搖動到中間位置時，搖桿垂直于連桿，此時搖桿的延長線通過主動夾頭的焊絲出口處。
7.按權(quán)利要求6所說的裝置，其特征是夾頭是一個整體；錐套(22)從外殼(24)的一端塞入，大口朝外；導(dǎo)向管(25)和套在其上可自由滑動的保持架(26)一起從另一端插入；導(dǎo)向管(25)靠外殼(24)定位保持在夾頭中心線上。
8.按權(quán)利要求6所說的裝置，其特征是主動夾頭(20)裝在一個可滑動的套筒(29)內(nèi)；套筒(29)固定在連桿BC上；作用在主動夾頭(20)上的彈簧(32)的壓力可以由壓緊塊(31)調(diào)節(jié)。
9.按權(quán)利要求6所說的裝置，其特征是曲柄由偏心套軸組成；偏心軸套(34)以偏心軸(33)的偏心為中心，可相對旋轉(zhuǎn)，并由穿過二者的螺釘(35)固定。
10.按權(quán)利要求6所說的裝置，其特征是在靠近主動夾頭(20)與焊絲(2)同一高度的平面上，安裝著步距測定標(biāo)尺；標(biāo)尺由二部份組成，主尺(36)固定在機座上，其刻度為每小格1毫米，付尺(37)固定在連桿(BC)上，其刻度為每小格0.9毫米。
全文摘要
本發(fā)明用于減少二氧化碳保護(hù)焊接中的飛濺。利用脈動送絲中熔滴被焊絲有規(guī)律地推向熔池而過渡的特點，為了減少飛濺，不需要根據(jù)電弧狀態(tài)，準(zhǔn)確快速地切換電源，而只要在熔滴過渡發(fā)生前后的一段時間內(nèi)使電流降低，使溶滴過渡必然發(fā)生在小電流區(qū)間，就可以達(dá)到目的。這樣做使飛濺控制手段大為簡化，又提高了控制的有效程度。這種控制方法不僅可以控制短路過渡，也可用于非短路過渡，因此特別合適于大電流高電壓的焊接。
文檔編號B23K9/173GK1158777SQ9610216
公開日1997年9月10日 申請日期1996年3月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年3月5日
發(fā)明者鄭寶英 申請人:鄭寶英