焊接电路电缆布线对可重复焊接结果的影响经常被低估。 规划焊接系统时必须考虑以下几点:
可能的设置错误以及如何解决 |
可能的设置错误以及如何解决:例如,分离电流路径 |
焊接电路电缆布线对可重复焊接结果的影响经常被低估。 规划焊接系统时必须考虑以下几点:
可能的设置错误以及如何解决 |
可能的设置错误以及如何解决:例如,分离电流路径 |
焊接电路包含不同的材料和横截面,以及耦合点处的接触电阻。
在串联电路中,电阻会叠加,可能产生较大的功率损耗和电压降。
耦合点处的接触电阻因接触力和表面条件的不同而迥异。
不同材料的电阻 | 耦合点的电阻 |
R1 HP Con | 中继线 | R C1 | 连接焊接正极引线与电源 |
R2 HP | 焊枪中继线 | R C2 | 加长中继线 |
R3 GD | 接地电缆 | R C3 | 焊枪中继线 |
R4 WP | 工件、工作台 | R C4 | 枪颈 |
|
| R C5 | 焊接台或固定卡夹 |
|
| R C6 | 连接焊接负极引线与电源 |
|
|
| |
R | 总电阻(= 所有单个电阻的总和) | ||
焊接电路包含不同的材料和横截面,以及耦合点处的接触电阻。
在串联电路中,电阻会叠加,可能产生较大的功率损耗和电压降。
耦合点处的接触电阻因接触力和表面条件的不同而迥异。
不同材料的电阻 | 耦合点的电阻 |
R1 HP Con | 中继线 | R C1 | 连接焊接正极引线与电源 |
R2 HP | 焊枪中继线 | R C2 | 加长中继线 |
R3 GD | 接地电缆 | R C3 | 焊枪中继线 |
R4 WP | 工件、工作台 | R C4 | 枪颈 |
|
| R C5 | 焊接台或固定卡夹 |
|
| R C6 | 连接焊接负极引线与电源 |
|
|
| |
R | 总电阻(= 所有单个电阻的总和) | ||
焊接电路包含不同的材料和横截面,以及耦合点处的接触电阻。
在串联电路中,电阻会叠加,可能产生较大的功率损耗和电压降。
耦合点处的接触电阻因接触力和表面条件的不同而迥异。
不同材料的电阻 | 耦合点的电阻 |
R1 HP Con | 中继线 | R C1 | 连接焊接正极引线与电源 |
R2 HP | 焊枪中继线 | R C2 | 加长中继线 |
R3 GD | 接地电缆 | R C3 | 焊枪中继线 |
R4 WP | 工件、工作台 | R C4 | 枪颈 |
|
| R C5 | 焊接台或固定卡夹 |
|
| R C6 | 连接焊接负极引线与电源 |
|
|
| |
R | 总电阻(= 所有单个电阻的总和) | ||
载流电缆的电阻取决于横截面、材料和长度。
高电阻会产生电压降,从而导致焊接电路中的功率损耗。
选择适当横截面尺寸的电缆可以减少功率损耗。
对于非冷却铜电缆和 100% 暂载率,建议的最小电缆横截面为:
焊接电流 | 电缆长度可达 10 m | 电缆长度可达 50 m |
|---|---|---|
150 A | 16 mm² | 25 mm² |
200 A | 25 mm² | 35 mm² |
250 A | 35 mm² | 50 mm² |
300 A | 50 mm² | 70 mm² |
400 A | 70 mm² | 95 mm² |
500 A | 95 mm² | 120 mm² |
600 A | 120 mm² | 2 x 95 mm² |
重要!定位并固定与地电位隔离的部件,避免并联电阻和电流。
每个载流导体都会产生磁场。如果电流强度发生变化,磁场随之而变,从而产生电压。电压会抵消电流的变化。
电感指对电流变化的阻抗。
如果两个导体之间的有效区域扩大,磁通量的面积将增加,电感也随之升高。
电感 | 电感计算依据 |
L1 | 正极绕组的电感 | N1 | 焊接正极引线的匝数 |
L2 | 接地电缆绕组的电感 | N2 | 焊接负极引线的匝数 |
L3 | 总面积的电感 | A1 | 焊接正极引线绕组区域 |
A2 | 焊接负极引线绕组区域 | ||
|
| A3 | 有效区域 |
|
| µr1-µr3 | 材料在这些区域中产生的磁导率 |
|
|
| |
L | 总电感(= L1 + L2 + L3 之和) | ||
电感 L [µH] 会因为周围材料的磁导率 µr 而增加,且随着导体匝数 N 的平方增加。
有了包含在内的区域 A 和材料 µr,就可以使用环形空气线圈 µ0 的公式来计算电感的近似值:
N | 匝数 [1] |
A | 有效区域 [m2] |
l | 导体长度 [m] |
| 磁场常数 [Vs/Am] |
| 相对磁导率 [Vs/Am] |
重要! |
每个载流导体都会产生磁场。如果电流强度发生变化,磁场随之而变,从而产生电压。电压会抵消电流的变化。
电感指对电流变化的阻抗。
如果两个导体之间的有效区域扩大,磁通量的面积将增加,电感也随之升高。
电感 | 电感计算依据 |
L1 | 正极绕组的电感 | N1 | 焊接正极引线的匝数 |
L2 | 接地电缆绕组的电感 | N2 | 焊接负极引线的匝数 |
L3 | 总面积的电感 | A1 | 焊接正极引线绕组区域 |
A2 | 焊接负极引线绕组区域 | ||
|
| A3 | 有效区域 |
|
| µr1-µr3 | 材料在这些区域中产生的磁导率 |
|
|
| |
L | 总电感(= L1 + L2 + L3 之和) | ||
电感 L [µH] 会因为周围材料的磁导率 µr 而增加,且随着导体匝数 N 的平方增加。
有了包含在内的区域 A 和材料 µr,就可以使用环形空气线圈 µ0 的公式来计算电感的近似值:
N | 匝数 [1] |
A | 有效区域 [m2] |
l | 导体长度 [m] |
| 磁场常数 [Vs/Am] |
| 相对磁导率 [Vs/Am] |
重要! |
采用高电感值进行焊接时,电源的最大电压 (= ULimit) 不足以提供所需的快速电流变化速率。
对于脉冲电弧以及焊接电路中具有高电感长中继线,这种现象尤其明显。
低电感 | 高电感 |
在高电感下,由于插座电压 Uclamp 有限,实际电流值 Iact 无法达到目标电流值 Iset。
序列 A1 - A2: | 序列 B1 - B2: |
序列 A1 - A2 和 B1 - B2 采用相同设置。
在 R/L 校准过程中,焊接回路阻抗和电感是通过电源确定的。
在定位导电嘴并开始 R/L 校准后,可确定整个焊接电路中的电压降和电感。欧姆电阻值和电感值可用于电弧电压显示的正确记录以及过程控制。
重要! |
开始 R/L 校准:
焊接电路中的电感随测量位置而变化。
当位置改变时,焊接电路的有效区域改变,电感也随之改变。熔滴分离的条件不是恒定的。
电源可计算脉冲、脉冲多重控制 (PMC) 和冷金属过渡 (CMT) 焊接工艺的电感瞬时值,且过程控制器可以更好地响应电感变化。
位置 1: | 位置 2: |
重要! |
可能的过程干扰的焊接回路阻抗 R 和电感 L 标准值:
焊接工艺 | R [mOhm] | L [μH] |
|---|---|---|
传统短路过渡电弧 * | ≤ 50 | ≤ 30 |
脉冲电弧* | ≤ 25 | ≤ 40 |
喷射电弧** | ≤ 60 | ≤ 80 |
假设:
| * | 采用焊接电流 120 A,填充金属 ø 1.2 mm,保护气体 M21 |
| ** | 喷射电弧,采用焊接电流 300 A,填充金属 ø 1.2 mm,保护气体 M21 |
根据电源类型、作业点、特性和干扰,提出的建议可能有所不同。
喷射电弧
喷射电弧焊接过程中电流流动基本保持不变,因此对高电流的变化极为不敏感。
常规短路过渡电弧
短路行为是事件导向的。
LSC(低飞溅控制)
LSC 凭借基于预测的短路过渡电弧策略,对高电感非常敏感。
通过增加焊接电路中的电子开关(例如,硬件 TPS 400i LSC ADV),可以显著提高电感衰减行为的稳定性。
CMT
由于焊丝以周期性的前后摆动方式进行调整,因此 CMT 的焊接效果介于 LSC 和 LSC ADV 之间。
脉冲电弧
脉冲电弧的各种变体最为敏感,因为高脉冲电流需要低电阻和低电感。
可以通过减少变化率和电流水平来调整 PMC 多电弧参数,以解决问题。
如果电导体处于磁场中,则会受到合力的作用。
这种合力被称为洛伦兹力,其方向取决于电流方向、磁场方向以及电流和磁场的相对方向。
无论磁力效应多小,都会导致电弧发生几何偏转。
这种不良的相互作用被称为“电弧偏吹”。
取决于磁通密度的 MIG/MAG 可焊性:
很好 | 良好 | 一般 | 较差 | 不可焊 |
≤ 2 mT | 2-4 mT | 4-6 mT | 6-8 mT | ≥ 8 mT |
≤ 20 高斯 | 20-40 高斯 | 40-60 高斯 | 60-80 高斯 | ≥ 80 高斯 |
磁化部件可能导致电弧偏转并干扰熔滴分离。
载流焊丝和电弧等离子体还会产生同心磁场,该磁场在部件端部和不均匀的气隙处产生变形,还会对电弧施加偏转力。
如果夹紧装置的载流部件由铁氧体材料制成,则会保留残余磁场(= 剩磁)。铝、铜和奥氏体钢不保留剩磁。
磁场对电弧的力效应:
部件中的磁场强度取决于电流水平、磁导率(材料)、横截面以及磁路中气隙的数量和大小。
在预磁化电流路径上焊接会降低稳定性。
电弧偏吹远离接地连接:
地线夹的位置会对部件中的电流方向及电流磁场产生重要影响。
电流总是选择最短的路径,具有相同的材料和横截面,并确定与地线夹相反的电弧偏转方向。
确定电弧上的力效应:
通过右手法则
大拇指指向焊接电流方向
食指指向磁力线方向
中指指向力的方向
如果电导体处于磁场中,则会受到合力的作用。
这种合力被称为洛伦兹力,其方向取决于电流方向、磁场方向以及电流和磁场的相对方向。
无论磁力效应多小,都会导致电弧发生几何偏转。
这种不良的相互作用被称为“电弧偏吹”。
取决于磁通密度的 MIG/MAG 可焊性:
很好 | 良好 | 一般 | 较差 | 不可焊 |
≤ 2 mT | 2-4 mT | 4-6 mT | 6-8 mT | ≥ 8 mT |
≤ 20 高斯 | 20-40 高斯 | 40-60 高斯 | 60-80 高斯 | ≥ 80 高斯 |
磁化部件可能导致电弧偏转并干扰熔滴分离。
载流焊丝和电弧等离子体还会产生同心磁场,该磁场在部件端部和不均匀的气隙处产生变形,还会对电弧施加偏转力。
如果夹紧装置的载流部件由铁氧体材料制成,则会保留残余磁场(= 剩磁)。铝、铜和奥氏体钢不保留剩磁。
磁场对电弧的力效应:
部件中的磁场强度取决于电流水平、磁导率(材料)、横截面以及磁路中气隙的数量和大小。
在预磁化电流路径上焊接会降低稳定性。
电弧偏吹远离接地连接:
地线夹的位置会对部件中的电流方向及电流磁场产生重要影响。
电流总是选择最短的路径,具有相同的材料和横截面,并确定与地线夹相反的电弧偏转方向。
确定电弧上的力效应:
通过右手法则
大拇指指向焊接电流方向
食指指向磁力线方向
中指指向力的方向
电流方向相同的两个相邻电弧相互吸引。
焊丝之间的角度越小,距离越短,相互吸力越大。
| I1 | 主丝的焊接电流 |
| I2 | 从丝的焊接电流 |
| B1 | 主丝产生的磁通量 |
| B2 | 从丝产生的磁通量 |
| F1 | 主丝产生的偏转力 |
| F2 | 从丝产生的偏转力 |
脉冲阶段的一个电弧对另一个电弧施加强磁场。
离地焊接具有很大的优势,因为产生的两个电弧都是向前的。
已为 TWIN 焊接开发了在高等离子体压力和高电流强度下同步工作的参数。
部件去磁会减少电弧偏吹,可通过循环磁化去磁。举升式磁铁或去磁设备可用于循环磁化。
去磁化可应用于管道建设或带生产或运输相关剩磁的部件。
如果举升式磁铁无法去磁,可以使用简单的替代方法:
使用 TIG 交流电源(例如,iWave AC/DC)并将短路接地电缆缠绕在部件上,同时逐渐减少电流幅度。
使用 iWave AC/DC 去磁:
如果焊接一个部件时或在一个焊接工作站内使用多个电弧,那么中继线和接地电缆的布置会成为两者相互干扰的决定性因素。
下图显示了两根并行接地电缆。
红色电缆 (a) 通电流,并在灰色电缆 (b) 中产生感应电压。
感应电压的大小用耦合系数 (M) 描述。
耦合系数与距离 (d) 成反比。距离越大,感应电压越小。
建议至少保持 30 cm 的距离。
将多根接地电缆一起敷设在铁氧体通道(如导轨)中会增强耦合。
避免将多根接地电缆一起敷设在铁氧体通道中!
如果焊接一个部件时或在一个焊接工作站内使用多个电弧,那么中继线和接地电缆的布置会成为两者相互干扰的决定性因素。
下图显示了两根并行接地电缆。
红色电缆 (a) 通电流,并在灰色电缆 (b) 中产生感应电压。
感应电压的大小用耦合系数 (M) 描述。
耦合系数与距离 (d) 成反比。距离越大,感应电压越小。
建议至少保持 30 cm 的距离。
将多根接地电缆一起敷设在铁氧体通道(如导轨)中会增强耦合。
避免将多根接地电缆一起敷设在铁氧体通道中!
| I1 | 目标焊接电流电源 1 |
| I2 | 目标焊接电流电源 2 |
| U1 | 焊接电路 1 所需电压 |
| U2 | 焊接电路 2 所需电压 |
| Uc | 耦合电压 |
该图显示了两个电源的理想电流波形 (I)(用红色表示)和理想电压波形 (U)(用蓝色表示)。
在焊接过程中,电源 1 在电源 2 的焊接电路中产生了耦合电压 (Uc)。
该耦合电压会添加到电弧电压或从电弧电压中减去,并且导致第二电源的弧长和熔滴分离的实际比例与测量值发生偏差。
这种干扰将导致弧长发生周期性变化。
该图还显示了并行中继线和接地电缆的典型设置,中继线和接地电缆相互产生耦合电压。分离焊接电路或确保载流导体之间有足够的距离可以消除这种磁耦合(参见第 (→) 页)。
在焊接过程不稳定的情况下检查耦合的最简单方法:
对部件一次只用一个电弧进行焊接,并比较焊接结果。
干扰性耦合电压进入焊接电路会导致焊缝不均匀:
导致这种不良焊接结果的电弧变化在高速图像中可见,肉眼同样可见。
从第 (→) 页开始的优化示例中描述的补救措施可减少弧长变化。
弧长稳定时可获得良好的焊接结果。
开始焊接电路耦合:
重要!两个电源上均须执行工作步骤!
0 mOhm / 0%
两个完全独立的焊接电路
高 mOhm 值
共用接地电缆等导致的大量静态耦合
高 % 值
紧密布置、并行中继线或外部电源的接地电缆等导致的大量动态耦合
如果将两根接地电缆或中继线一起敷设或缠绕在一个铁氧体导轨中,则会增加相互干扰,进而增加动态耦合。
评估时将测量结果划分为四个范围。如果测量结果落在较小的两个范围内,则应优化同一个部件上的多个焊接电路。
如果使用多个电弧焊接一个部件,应确定各个焊接电路相互之间的耦合值。当所有电弧相互产生磁耦合干扰时,各个耦合值将叠加。
记录单个电流路径并逐对测量、分析和更改,以简化焊接电路的优化。
如何进行耦合测量:
为获得可重复的焊接结果,如有必要,必须规划和优化电焊电路。
除位置和长度外,接地电缆的连接对于获得一致质量的焊接结果同样至关重要。
为获得可重复的焊接结果,如有必要,必须规划和优化电焊电路。
除位置和长度外,接地电缆的连接对于获得一致质量的焊接结果同样至关重要。
为获得可重复的焊接结果,如有必要,必须规划和优化电焊电路。
除位置和长度外,接地电缆的连接对于获得一致质量的焊接结果同样至关重要。
要确保低接触电阻,需要较大的接触力或表面压力:
螺钉端子接触力最大 (> 1000 N)。
常用夹紧元件和肘节夹通常没有严格的定义,特别是在容差方面。
图中显示了多种点状接地点。
带两个接地点的气动装置具有多个额外的弹簧加载夹紧缸,用于不同的力和直径。
第二张图显示了用于导轨系统的滑动接地点装置。
高表面压力对这些系统具有极大的影响。因此,必须确保滑块不会脱落。
在许多情况下,电路中会设计两个弹簧加载的滑块以避免滑块脱落。
防尘板或擦拭系统可清除导轨上的灰尘和绝缘油脂。
每个焊接电路都应单独具有尺寸足够大的接地点或接地导轨。
重要!
旋转设备和部件有多种滑动接地点:
旋转设备接地点的重要特征:
规划多个接地点可以显著减少电流路径长度和电感区域。避免共用接地电缆,分离电流路径。
为了获得大致相等的电阻值,接地电缆应该保持相同长度,并与焊接正极中继线并行尽可能长的距离。
该图显示了大厅地板上网状布线的接地电缆。
大型纵向行走机构具有极高的电阻和电感,且带有用于中继线和接地电缆的长拖链。
如果紧凑型焊接系统带集成焊丝驱动装置且无中继线,通常也使用短枪缆线。
此时必须特别考虑接地电缆的布置:
这样做的好处是:
接地电缆夹紧不当或工件表面肮脏,会导致接触电阻较大且不断变化。
如果紧凑型焊接系统带集成焊丝驱动装置且无中继线,通常也使用短枪缆线。
此时必须特别考虑接地电缆的布置:
这样做的好处是:
接地电缆夹紧不当或工件表面肮脏,会导致接触电阻较大且不断变化。
在分离式焊接系统中,一台单独的送丝机通过中继线连接到电源。
中继线的长度及其布置是决定焊接电路中电感的重要因素。
将中继线缠绕在移动小车上,或者在最糟糕的情况下,缠绕在气瓶上,会增加焊接电路中的总电感。
解决方法
以相反方向缠绕接地电缆和中继线:
该图显示了如何从中间提起中继线进行缠绕。
补偿中继线
使用补偿中继线可将焊接正极引线和接地电缆布置在一根中继线中。
通过电缆内“4 股排列”几乎可以补偿整个磁场。
特别是在造船和管道建设中,这种特殊解决方案可以替代短接地电缆和低电感。
尤其是在自动系统或机器人应用中,必须首先规划焊接电路,预先避免或减少过程干扰。
后续规划和优化往往需要花费巨大的代价才能实现。
对于不同的接地点,系统设计应使用长度和横截面相同的接地电缆。
中继线和接地电缆之间的有效区域决定了电感,因此应尽可能缩小。
部件或设备应与地电位隔离,避免并行接地电流和电压电位偏移。
尤其是在自动系统或机器人应用中,必须首先规划焊接电路,预先避免或减少过程干扰。
后续规划和优化往往需要花费巨大的代价才能实现。
对于不同的接地点,系统设计应使用长度和横截面相同的接地电缆。
中继线和接地电缆之间的有效区域决定了电感,因此应尽可能缩小。
部件或设备应与地电位隔离,避免并行接地电流和电压电位偏移。
具有一个接地点的系统
示例——带纵向行走机构的旋转装置
解决方法:
设置多个接地点
第二张图显示了增加了一个接地点的纵向行走机构。
组件上焊接正极引线和接地电缆之间的区域显著减小,焊接路径也更加稳定。
手动和自动焊接都可以对单个部件使用多个电弧,这会导致磁耦合效应。
手动和自动焊接都可以对单个部件使用多个电弧,这会导致磁耦合效应。
如果同时使用多个电弧焊接一个部件,所有焊接电路必须相互分离:
| A | 设置错误的焊接系统 (a) 交叉电流路径 共用地电位 在第二个电弧下敷设电流路径 (b) |
| B | 正确规划焊接系统——电源线和接地电缆相互补偿 (d) 接地电缆分离且电流路径不重叠 (e) |
优化结果:
来自相邻焊接电路的干扰电压会影响弧长控制,并导致焊接过程不稳定(参见第 (→) 页)。
解决方法:
通过传感器电缆 (c) 直接测量从部件到下一个系统总线接口(例如送丝机 (b)、SplitBox 或 SB 60i)的电压
电压电势从这个接口无干扰地传输到电源。
| (a) | 电源 |
| (b) | 送丝机、SplitBox 或 SB 60i |
| (c) | 传感器电缆 |
| (d) | 最小距离 30 cm |
| (e) | SpeedNet 总线通信 |
图中显示了传感器接口 (a) 和 (b) 的电路图。
传感器电缆与 SpeedNet 总线通信 (e) 分别布线,但位于中继线的同一根多芯机器人电缆中。
焊接电路布置产生的电阻和电感物理效应由载流电缆(中继线和接地电缆)决定,保持不变。
改进了电弧电压的测量,并且消除了电压测量中的干扰。
重要!
改善中继线敷设始终是最佳优化选择。
如果可能,传感器电缆与接地电缆或中继线的间距 (d) 应至少达到 30 cm,避免传感器电缆产生耦合电压。
单丝焊接系统通常不需要传感器电缆。
如果使用多个电弧来焊接一个部件且中继线和接地电缆未优化排列,则传感器电缆能够显著改善电压测量,从而提高电弧稳定性。
示例:焊接区位于隔墙后的转台
多个焊接位置要求设备具有多个接地点和多根传感器电缆。接地点和传感器电缆在排列时也必须确保足够的间距,避免耦合。
多根传感器电缆可以一起敷设在一个电缆束中,因为它们不承载焊接电流,不会产生相互耦合。
对于长焊接门架,传感器电缆没有任何优势。因此,在设计系统时,应计划短焊接电路。
传感器电缆可以用作现有系统等的改进解决方案。
理想情况下,在系统规划期间应已考虑预期电流。
以下优化示例将在后续章节中介绍:
以下优化示例将在后续章节中介绍:
以下优化示例将在后续章节中介绍:
下方显示了放大后的优化前后图像。
对一个部件使用多个独立焊接系统——优化前 |
对一个部件使用多个独立焊接系统——优化后 |
下方显示了放大后的优化前后图像。
优化前的 TWIN 设置 |
优化后的 TWIN 设置 |
下方显示了放大后的优化前后图像。
优化前的多个 TWIN 系统 |
优化后的多个 TWIN 系统 |