半自动热丝惰性气体保护钨极弧焊设备的制作方法

专利名称:半自动热丝惰性气体保护钨极弧焊设备的制作方法
本发明涉及到TIG(钨极惰性气体保护)弧焊设备，具体地涉及到适合于进行半自动热丝TIG电弧的焊接。
图1为常规技术中自动TIG焊接的一例，其中所示的热丝TIG弧焊设备的布置表明焊丝是在激历和加热的条件下喂送的。直流弧焊电源3被接在钨电极1和基焊件2之间，并且在氩氣保护中以钨电极做为负极而生成电弧，焊丝5由送丝设备6馈送，它经过导管7、焊丝导向器9和接在导管7上的焊咀8而被送到产生电弧的部位，并且同基焊件2发生接触。在这种情况中，焊接电源10被接通到焊咀8与基焊件2之间的部位，于是直流或交流电流流经焊丝5而产生焦耳热，借此热量加速了焊丝5的熔化速度。
在进行普通的手动TIG焊接中，当需要熔敷金属时，左手持一根焊条(例如直径2mm，长600mm)而右手持一个TIG弧焊枪，借此在手动馈送熔敷金属的同时而进行焊接。另一方面在进行自动TIG焊接的情况中，利用常电动机的自动送丝设备来喂送焊丝，其中焊丝喂管和TIG弧焊枪固定地夹在台架上，而该台架则被装在焊接用的电焊车上。
众所周知半自动TIG焊接为介乎上述两种焊接方法之间的一种。图2即为市场供应的一种半自动TIG焊枪，该焊枪的结构为，焊丝导向器9被半固定地装在可移动的TIG焊枪架11上，并且焊丝借助送丝设备以一预定速率自动喂送。由于必需将焊丝5的前端送到电弧4所形成的熔池12中的适当位置，所以TIG焊枪架11装上了调节器13，以便细调焊位。焊工用左手操作一个装在送丝设备的远方控制盒上的按纽来调节送丝率，同时右手持住焊枪14并且调节焊枪位置。在冷丝法焊接的情况中焊丝5通常不激历也不加热，焊丝5被从焊接的进行方向同向地送入。然而，在热丝法中焊丝5受激历和加热，它被从相对于焊接进行方向的后面送入。
在图2所示的焊接法中，在焊接进行中改变焊接进行方向时，需要同时也改变送丝位置，这只能以调节该调节器13的左手去调节焊丝5的送入位置，但是，在TIG焊接中电弧4需要精密控制其弧长时，则很难同时实现此精密控制和前述焊丝位置的调节，终归是在焊接进程中调节器13利用不上，结果，在操作焊枪中不可避免成为只能操作改变焊枪14的方向来改变焊接进行方向。再者，在图2中为了利用焊枪14来取得合适的焊接状态，必需对焊丝5的前端浸到熔池12中的位置保持在最佳位置，但当在焊枪14和基焊件2之间所形成的角度改变时，则该焊丝5的前端浸到熔池12中的位置改变很大。总之应掌握焊枪14的角度使维持为常数。
如上所述，在半自动TIG焊接中，焊丝导向器9被固定在TIG焊枪架11上，焊枪14的活动是有限的，并且在焊接操作中自由度总归受到很大的妨碍。然而，若焊丝导向器9与TIG焊枪导向器11子离，则在进行焊接时TIG焊枪架11就需持在右手而焊丝导向器9被持在左手，这时出现的缺点是，两只手全被占用了，故而对焊丝5的送丝率的调节以及对电弧电流的调整所需的远方操作便无力进行了。
根据上述原因，接枪14，其中包括图2所示的焊枪架11和焊丝导向器9，是整体形成的，这样就能用一只手掌握，但是，焊枪14的可控性不是很好的。结果，这种半自动TIG焊接，尽管其溍有很大的需要然而卻未被广泛应用。
本发明已研究出克服先有技术中的上述缺点，并旨在提供出一种TIG焊接设备，将它用在自动送丝的TIG焊接中，以一只手持焊丝导向器，另只手持TIG弧焊枪，而很方便地进行焊接。
为此目的，本发明特设计了一种半自动热丝TIG焊接设备，其中包括有一个可移动的TIG弧焊枪;
一个可移动的送丝焊把;
一个热丝转换电源，用于激历所述的TIG弧焊枪、所述的送丝焊枪和基焊件。
一个送丝设备，用于将焊丝以所期望的速率送到送丝焊把上;
一个焊接状态控制装置，用于控制焊丝加热功率，以便使焊丝得到与送丝率匹配的加热功率;
一个声音鉴别控制装置，用于监别从焊工发出的整定焊接状态的听觉信号及将此信号送到所述的焊接状态控制装置中。
按照本发明，焊接操作是以一只手持送丝焊把和另只手持TIG弧焊枪来进行的，所以，电弧和焊丝所插入的位置能按照期望进行调节，虽然两手都被占用，但是命令可由声音发出、所以焊接状态的调节，例如焊弧电流的调整和送丝率的调节都能在焊接中迅速兑现。再者，焊工能以即时改变送丝率的方法适应焊丝的各种变化，所以，焊接能进行得犹如利用焊条进行手工TIG焊接时一样的感觉。
图1为解释一般应用的热丝TIG焊接设备布置的视图;
图2为解释常规的半自动TIG焊枪应用状态的视图;
图3为解释本发明的半自动TIG焊接设备各部件的配置图;
图4为本发明用的焊接电源输出电流的解说图;
图5为本发明TIG弧焊接的控制系统方框图;
图6为例述焊丝加热功率与焊丝熔融率之间关系的曲线;
图7为说明焊丝伸出长度与其电阻值之间的关系曲线;
图8为按照本发明进行控制送丝率与焊丝伸出长度匹配的关系曲线;以及图9为本发明的设备根据声音指令操作时各部分动作的方框图;
下面参照附图对本发明的一个实施例进行详细解释。
图3说明本发明适于半自动TIG焊接用热丝转换TIG焊接电源进行工作的各部件配置关系。
在图3中，一具手动TIG弧焊枪17，一具手动送丝焊把18和一块基焊件2都被分别接于热丝转换TIG焊接电源15，并从这里取得激发TIG焊弧和加热焊丝用的电流;一台送丝设备16对送丝焊把18喂送焊丝;电源15中并有一台焊接状态控制装置23，它与送丝设备16和声音监别控制装置22分别有电气连接;焊工用的保护面罩19设有用液晶体作的弧光防护过滤器20，它以电操作变黑或透亮;以及一个麦克风21，它被置于面罩里靠近焊工的咀处。焊工发出的声音被麦克风21检测到并送入声音监别控制装置22中，在这里形成与声音相对应的指令信号，然后传送到并在焊接电源15内的焊接状态控制装置23中。
当焊接行到电弧4的位置，并企图如前所述用双手调节送丝5时，这在普通的热丝TIG焊接的情况中，电弧4开始受到流经焊丝5的加热焊丝电流产生的电磁吹弧作用，并出现了这样的缺点，即在TIG弧焊枪17的钨极和焊丝5之间的位置关系产生随机的变改，结果电磁吹弧条件不稳定，从而得不到所期望的稳定焊接，在本实施例中，利用热丝转换TIG焊接电源作为热丝TIG焊接的电源从而消除了这一缺点。
图4说明了热丝转换TIG焊接法的原理，在此热丝转换TIG焊接法中应用了脉冲电弧，如图4所示，在电弧为峰值电流期间Tp内焊丝中不流过电流，焊丝电流只通过一预定时间间隔tw，而tw只是弧电流很低的基本电流时间间隔Tb中的一部分，由于这一安排，虽然在弧电流很低的基本电流时间间隔Tb内产生了电磁吹弧，并且有一小部分被分配给熔融基焊件，然而焊丝在峰值电流时间间隔TP期间则不流过电流，而把它们分配给基焊件进行大量熔融，借此而无电磁吹弧产生。采用了这种方法，成为热丝TIG焊接中一大问题的电磁吹弧问题基本上被消除。结果，甚至在弧长被增大、焊丝电流被提高以及插入焊丝的角度和位置在变化的情况下，该热丝TIG焊接几乎也能象一般冷焊接情况一样的完成。
现在来看半自动焊接，其中焊丝5是在一预定速率下自动喂送的，这时要使焊丝的实际熔融率与送丝率得到平衡是一极大的困难。例如，当送丝率比其熔融率稍微快些的时候，则焊丝5的伸出长度加大，并且位于送丝焊把18前端部上用于激历焊丝的焊咀8和基焊件之间的距离，也即伸出长度e逐渐增大，以致不能进行正常焊接。相反，如果送丝率稍小于熔融率，则常常发生焊丝与基焊件分离的现象，当焊丝前端与基焊料分离时，则焊丝的前端被电弧熔融而后形成一大熔滴，所以焊接也无法正常进行。尤其是在热丝TIG焊接法中，通常伸出尺寸e被保持为恒定，并被有效地控制到使加到焊丝上的电压或电流符合送丝率的要求。但是，由于送丝焊把是手把持的，所以很难掌握该伸出长度e为常数。当此伸出尺寸变化时，由于送丝率与所得的功率之间关系的不平衡，故也使焊接变得困难。这项缺点是能够克服的，即有效地控制焊丝电流，忽略尺寸e而恒定地符合送丝率要求送加热焊丝的功率即可。
图5流程图部分地说明组装成热丝转换TIG焊接电流15的接状态控制装置23的工作流程。焊工整定好电弧的峰值电流IP及其时间间隔TP、基本电流Ib及其时间间隔Tb、基准送丝率、功率因数以及使其适合于焊接对象所期望的数值，然后开始焊接操作，声音监别控制装置22收到焊工的声音指令后传送到焊接状态控制装置23中，借此即能使出乎上述各因数的电弧峰值电流、基准送丝率和功率因数在焊接期间有效地变化。现在已根据经验确定出在无电弧下焊丝被激历和加热时在焊丝加热功率和焊丝熔融率之间的关系基本上为直线组成的关系，甚至在焊件性质不同时，也仅是改变这些比例常数而已，至于该直线关系则仍然保持。实际上在焊接期间，由于从电弧来的辐射热，从熔池来的热，与电弧等离子体等类的热量，其绝大部分都传到焊丝上。这些热量都可以随着焊丝的插入位置和插入角度不同而改变，但是，当这些位置和角度恒定时，这些热量基本上就可以认为与弧电流成比例，因此，如果检测出实际的送丝率和弧电流，则焊丝加热功率即可由下式确定P＝20·K·V+Iam式中P为加热焊丝所需的功率，以W(瓦)表示，K为可变的功率因数，对直径为1.2mm的软钢焊丝它接近1。
V为送丝率，以g/min(克/分钟)表示，Iam为平均弧电流，以A(安培)表示。
如图4所示焊丝通过脉冲电流，检测出加在焊头8和基焊件2之间的伸出部分的电压和电流后，即能从通过该焊丝的瞬时电压和电流值的乘积求出焊丝加热功率，将实时的焊丝加热功率平均值与前述的所需加热功率进行比较，通过对焊丝电流的脉冲宽度tw进行反馈控制，于是即能使前者和后者获得很好的平衡。然后，焊工可根据监视着的焊丝熔融状态，通过声音改变功率因数K，所以焊丝的熔融状态即能得到细调。如上所述恒定地加上与送丝率相匹配的加热功率，所以甚至伸出长度化，而焊丝的熔融状态也能时时地被保持在最佳值。
在利用前述的声音监别控制装置的双手半自动TIG焊接法中，与利用焊条的手动TIG焊接相比较来说，较难于快速或细微地改变送丝率。但通过如下所述的掌握住焊弧的伸出长度和送丝率的相对关系，即能克服上述缺点。更详细地说，在热丝TIG焊接期间，检测出焊咀8与基焊件2之间的焊丝电流和电压的波形，输入到一只分压器电路中，在其中求得对应该焊丝伸出部分的电阻值，凭经验的断定，在对数计算纸上绘出在热丝电阻值与伸出长度之间一个较宽范围的基本上为直线的关系，这是在激历期间并忽略了送丝率、焊丝的峰值电流及脉冲周期等因素的条件下加热得出的，有如图7所示，图8中的曲线是对直径为1.2mm的软钢焊丝所作的实验结果。在实际进行双手半自动TIG焊接时，对伸出尺寸e为10mm到100mm的范围焊接操作比较容易完成，特别是对尺寸e为20mm到30mm范围内的焊接操作执行起来最为方便。那么对应于伸出长度为20mm到30mm的范围，就用作基准送丝率;当伸出尺寸为10mm及以下时，即可采用200%的基准送丝率;而当尺寸为大于50mm时，送丝率置0，也即停止送丝。至于对其它的伸出尺寸，对上述各因数绘成另外直线而形成一条折线关系曲线，结果送丝率即接此曲线与伸出长度相匹配地变化。实际上，焊接状态控制装置23是这样工作的，即检测出焊丝的电阻来代替该伸出长度，然后对应此检测出的电阻值确定出需要改变的送丝率。
此外，甚至在伸出长度较短时，有时候焊丝5的前端会由于手摇晃或焊丝过热而离开焊池12，焊接状态控制装置23已被考虑到这点而这样的构成，即根据焊丝的电压波形检测出焊丝与基焊件的分离，并且，如果分离的时间为1sec或以下，则保持住分离前瞬间的送丝率;若分离的时间大于1sec，则表明有停止送丝信号发出并且停止送丝。
如上所述，以所确定的最后送丝率条件开始驱动送丝设备16。
图9为示于图3中用声音指令操作该设备的步骤流程图，下面将参照该流程图说明图3所示设备的行为。
首先，在开始焊接之前，焊工利用接在焊接电源上的焊接状态控制装置23整定好焊接状态，使基准焊接状态，例如弧电流和送丝率整定到适合于被焊对象所需要的数值。
接着，焊工戴上焊接用面罩19进入点弧阶段，然后，右手持住TIG弧焊枪17，左手拿住送丝焊把18，此时电弧保护过滤器20保持透明状态，故焊工容易观察到点弧的位置。
然后，当焊工发出“Start”(开始)指令时，在控制器22中的声音鉴别装置即动作向液晶体发出一个电压信号，于是焊接面罩19的保护过滤器20即变黑，然后它在经过一定时间变得足够黑之后，电弧开始指令信号从控制装置22被送到焊接电源15中的焊接状态装置23，接到此指令后焊接电源15发出点弧所需要的高频高压，这与普通应用者相同，与此同时施加能形成电弧的电压，这时的电弧电流是整定到一预定的起动电流值的。
接着，当焊工宣布“main”(主)时，声音鉴别装置如前所述地动作，于是电弧电流即被改变到适于焊接工作用的“主弧电流值。”当基焊件熔化到形成一个熔池12时，送丝焊把18被送到接近该熔池12，并将焊丝5的前端插进熔池12中，此时，焊接状态控制装置23检测到焊丝5和基焊件2之间的短路而发出送丝指令信号，然后即在预置的基准送丝率下开始送丝。
焊接如上述地进行，当焊工想提高弧电流时，例如喝一声“heigh”(高)，那么该指令信号即被从控制装置22送到焊接电源15中的焊接状态控制装置23，于是焊弧电流即逐渐升高，当弧电流达到焊工所期望的高度时，若焊工喝声“OK”(好)，则弧电流即被保持在该值。同理，当希望弧电流降低时，即可喝道“Low”(低);当需加速基准送丝率时，即喝“Quick”(快);当需降低基准送丝率时，即说“Slow”(慢)当各项所期望的数值已达到，焊工即分别宣称“OK”，于是这些相应的改变即分别停止，而且分别保持住该值。如上所述，诸如弧电流，送丝率、功率因数等类焊接状态即如此地获得调当送丝焊把18被移到焊丝离开基焊件超过1sec钟后，焊接状态控制装置23根据对它的检测而对送丝设备16发出停止送丝信号，于是送丝被停止。
最后，当焊工说“Crater”(弧坑)，于是激发出为处理弧坑的弧信号。当焊工喝“Stop”(停)时，电弧即消逝，并同时，保护过滤器20变透明，焊接工作即告完成。因此焊工即能在双手掌握TIG弧焊枪17和送丝焊把18的同时而调节焊接状态。
在本实施例中，就热丝TIG焊接电源摆脱电磁吹弧所致的不利影响而论，利用了本热丝转换TIG焊接电源，但本发明无必要受此所限，而且其它类型的电源，例如脉冲电流加热焊丝的电源也照旧能用。
虽然已极尽努力导制声音鉴别装置在本应用中超越个人音调的不同，但涉及到个别焊工的口音的问题尚未得到解决。从基本上说，使用该焊接设备的焊工被代换以新焊工时，希望新焊工对此声音鉴别装置进行声音再训练。
焊接操作常常是在高噪音的环境下进行的，但是由于麦克风是放在面罩内靠近焊工的嘴处时，即能避免杂音的影响。
用于监视电弧的过滤器自动变黑的自动弧光保护设备不必只限于用液晶体一种，该设备可以被带有机械打开或合上的过滤器的自动弧光保护设备来代替。
这里对本实施例须进一步详细说明的是，为保持基准送丝率而设定了伸出部分，甚至在焊工的手无意识地稍微晃动一下时，藉此也能维持住基准送丝率。再者，伸出尺寸越短则送丝越快，而伸出较长则可送丝稍慢些，藉此甚至在用声音控制失效时，仍可以象利用焊条进行手动TIG焊接一样地凭感觉而完成焊接操作。利用改变伸出尺寸来调节送丝率比用声音指令的情况反映得更快，藉此能较容易地使熔敷的金属局部地增加或减少，以致使焊接工作能力能适应更广范围。但当送丝率相对较慢时，无意地使焊丝前端趋于与基焊件分离，以致控制可能须与上述相反有效，即当伸出部分被变长时送丝率加快，当伸出被减短时送丝率要慢，采用这种措施，则焊丝前端无意地与基焊件分离的次数就会减少。
本实施例已考虑到焊丝端电压被焊丝电流除的关系，并以伸出部分的电阻来调节送丝率，但也可采用这样的措施，即将焊丝电流为脉冲电流时的峰值整定为常数，或将一部分焊丝电流整定为常数，检测这部分的焊丝端电压并使其与送丝率相对应。
TIG焊接能提供高质量的焊接，并具有这样的特征，即能用于要求各种焊接位置的焊接操作中，故TIG焊接已得到广泛的应用。但是，手动TIG焊接，即利用焊条进行熔敷金属，其工作能力是很低的，尤其是常规的半自动TIG焊接方法，其中应用了不激励的冷焊丝或激励的热焊丝，而且用一只手掌握焊枪，焊枪的可控性很低，这种方法实际上已不甚应用。但仅有在本发明开发之后，此种半自动热丝TIG焊接才容易实现其高度的控制能力和工作能力，即犹如用常规的用焊条进行手动TIG焊接时一样的感觉，而且工作效率问题也已被解决，由此而使TIG焊接的实际应用更加广泛，故本发明对工业界特别有利。
权利要求
1.一台半自动热丝TIG(TungstenInertGas-钨极惰性气体保护)焊接设备，其特征为包括有一个可移动的焊枪；一个可移动的送丝焊把；一个热丝转换电源，用于激励所述的TIG弧焊枪，所述的送丝焊把和基焊件；一个送丝设备，用于将焊丝以所期望的速率送到送丝焊把上；其特征为还包括有一个焊接状态控制装置，用于控制焊丝的加热功率，以便使焊丝得到与送丝率匹配的加热功率；以及一个声音鉴别控制装置，用于鉴别从焊工发出的整定焊接状态的听觉信号及将此信号送到所述的焊接状态控制装置中。
2.按照权利要求
1所述的半自动热丝TJG焊接设备，其中所述的电源为一脉冲电弧电源，并且仅在电弧的基本电流时间间隔激励焊丝。
3.按照权利要求
1所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中按照公式P＝20·K·V+Iam来求取焊丝的加热功率;式中P是施加的焊丝加热功率(W)，K是比例常数，V是送丝率(g/min)，以及Iam是电弧电流的平均值(A);并且将这样所求得的结果与实际检测的由焊丝的电流和电压波形的实时乘积得出的焊丝加热功率的平均值作比较，并且以反馈控制施加到焊丝的功率。
4.按照权利要求
1所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中根据焊丝伸出部分的电阻值求得焊丝伸出的长度，并且以与此伸出长度相匹配地控制送丝率。
5.按照权利要求
1所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中在预定的基准送丝率条件下取得焊丝伸出长度，并当此伸出被改变为超出所述长度时，送丝率则按此伸出的变化范围相匹配地改变。
6.按照权利要求
5所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中，当所述的伸出长度小于该预定伸出长度时，送丝率被加快，并且当所述伸出长度大于该预定伸出长度时送丝率被减慢。
7.按照权利要求
5所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中当所述的伸出被缩短于预定伸出长度时，送丝率被减慢;而当所述伸出被加长于预定长度时，则送丝率被加快。
8.按照权利要求
1所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中根据焊丝电压的波形检测出焊丝从基焊件上分离，并且如果该分离的时间等于或小于1sec钟，则保持分离前瞬间的送丝率，若分离时间大于1sec钟，则控制作用停止送丝。
9.按照权利要求
1所述的半自动热丝TIG焊接设备，还包括有一个装置，在其中，当为脉冲电流时焊丝电流的峰值或一部分焊丝电流被整定为常数，检测出所述部分的焊丝端电压并使其与该送丝率相对应，该送丝率则按所述焊丝端电压进行控制。
专利摘要
半自动热丝TIG焊接设备包括有:可移动的TIG弧焊枪和送丝焊把;激励弧焊枪的热丝转换电源；送丝设备和基焊件;还有焊接状态控制装置和声音鉴别控制装置，分别用于控制焊丝加热功率与送丝率匹配和根据焊工的声音指令控制焊接状态。应用本发明，焊工两手可以分别持送丝焊把和TIG弧焊枪，既便于按期望调节电弧和焊丝的插入位置，且仍能用声控快速方便地调整弧电流和调节送丝率以便调节焊接状态。
文档编号B23K9/10GK86101294SQ86101294
公开日1986年9月10日 申请日期1986年2月6日
发明者胜义堀, 俊春明贺, 美春四宫, 美春祝, 英二渡边, 和喜草野, 俊明田桑 申请人:巴布考克日立株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan