第三章 電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)

第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)2/5/20231第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)主要討論熔化極自動(dòng)電弧焊穩(wěn)定工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，拖動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速調(diào)控系統(tǒng)以及焊接過程中先后次序控制環(huán)節(jié)。第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)控制2/5/20232第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電弧焊的焊接過程一般包括引燃電弧、焊接（送絲）和收尾熄弧三個(gè)階段；如果借助機(jī)、電裝置自動(dòng)完成這些基本操作，這種焊接方法稱為自動(dòng)焊。一、自動(dòng)電弧焊自動(dòng)調(diào)節(jié)概述自動(dòng)電弧焊能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的焊接工藝程序；合理地選擇主要工藝參數(shù)Ia、Ua、vW，且在整個(gè)焊接過程中穩(wěn)定不變。自動(dòng)電弧焊Ia、Ua的控制精度要求為±25~50A、±2V。全位置氣體保護(hù)焊Ia、Ua的最高控制精度甚至達(dá)到±0.1~1.0A、±0.1V。2/5/20233第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電弧焊過程兩個(gè)最主要能量參數(shù)Ia、Ua的穩(wěn)定值由電源外特性和電弧靜特性曲線的交點(diǎn)決定。在實(shí)際焊接過程中Ia、Ua容易發(fā)生波動(dòng)，原因有：使電弧靜特性產(chǎn)生波動(dòng)的外界干擾送絲速度不均勻；焊炬相對(duì)于焊縫表面距離的波動(dòng)；焊劑、保護(hù)氣體、母材和電極材料成分不均勻或污染物等引起的弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度的變化。使電源外特性發(fā)生變化的外界干擾負(fù)載突變；弧焊電源內(nèi)部元器件受熱后發(fā)生的變化。電弧靜態(tài)工作點(diǎn)的波動(dòng)2/5/20234第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)手工電弧焊：人工調(diào)節(jié)自動(dòng)焊：自動(dòng)調(diào)節(jié)電弧焊的調(diào)節(jié)系統(tǒng)2/5/20235第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)是一種反饋控制系統(tǒng)，被控對(duì)象(如電弧)的狀態(tài)物理量反饋到輸入端并與輸入給定值比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，再加到控制器上，隨時(shí)修正被控對(duì)象調(diào)節(jié)量的大小，使其趨于期望值。反饋是閉環(huán)系統(tǒng)消除外界干擾的基礎(chǔ)，沒有反饋的控制系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)2/5/20236第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動(dòng)電弧焊接自動(dòng)調(diào)節(jié)原則：當(dāng)選定的工作點(diǎn)由于外界干擾發(fā)生變化，既定的焊接工藝參數(shù)Ia、Ua發(fā)生波動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)迅速實(shí)施調(diào)控使其回到原工作點(diǎn)，從而保證焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定。熔化極電弧焊接的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)(閉環(huán)控制系統(tǒng))等速送絲電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)(開環(huán)控制系統(tǒng))電弧電流反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)2/5/20237第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)二、熔化極等速送絲電弧自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)依靠電弧自身內(nèi)反饋具有的自身調(diào)節(jié)作用來(lái)達(dá)到補(bǔ)償干擾。1、等速送絲自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性或等熔化曲線方程2/5/20238第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)電弧在自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性曲線上任一點(diǎn)燃燒，vm=vf，焊接過程穩(wěn)定；偏離此線，vm≠vf，焊接過程不穩(wěn)定。電弧的穩(wěn)定工作點(diǎn)在自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性曲線和電源外特性曲線的交點(diǎn)。2/5/20239第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)MIG焊熔化特性曲線埋弧焊2/5/202310第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)等熔化曲線的特點(diǎn)：長(zhǎng)弧細(xì)焊絲時(shí)，由于ki很大而ku很小，等熔化曲線幾乎垂直于電流坐標(biāo)軸，稱為等電流曲線。短弧焊時(shí)，電弧等熔化曲線斜率減小，vm隨弧長(zhǎng)縮短而明顯增大，ku明顯增大，具有固有的自調(diào)節(jié)作用。其它條件不變時(shí)，vf增大，等熔化曲線平行向右移動(dòng)；焊絲伸出長(zhǎng)度增加，ki增大，等熔化曲線向左移動(dòng)；焊絲直徑增大，ki減小，等熔化曲線向右移動(dòng)，而且斜率減小。鋁焊絲熔化特性曲線2/5/202311第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、等速送絲自身調(diào)節(jié)的精度調(diào)節(jié)精度指系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程結(jié)束后靜態(tài)誤差的大小。

弧長(zhǎng)波動(dòng)時(shí)的自身調(diào)節(jié)精度

電弧縮短時(shí)，系統(tǒng)的工作點(diǎn)O0→O1∵vm0=kiIa0－kuUa0，

vm1=kiIa1－kuUa1；Ia1>Ia0，Ua1<Ua0∴vm1>vm0=vf，于是工作點(diǎn)將在電源外特性曲線上從O1點(diǎn)向O0點(diǎn)恢復(fù)。如果焊槍與焊件表面距離不變，焊絲伸出長(zhǎng)度不變，自身調(diào)節(jié)作用將使工作點(diǎn)回到O0而不帶靜態(tài)誤差。2/5/202312第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)弧長(zhǎng)波動(dòng)由焊槍高度變化引起，自身調(diào)節(jié)將在焊絲伸出長(zhǎng)度變化的條件下進(jìn)行，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后的穩(wěn)定工作點(diǎn)將由焊絲伸出長(zhǎng)度變化后的等熔化曲線和電源外特性曲線的交點(diǎn)確定，產(chǎn)生靜態(tài)誤差。2/5/202313第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)時(shí)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)誤差網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)將使等速送絲電弧焊的工作點(diǎn)從O0移到O1，長(zhǎng)弧焊將產(chǎn)生明顯的電弧電壓靜態(tài)誤差。短弧焊則產(chǎn)生明顯電流靜態(tài)誤差。如果長(zhǎng)弧焊采用緩降外特性電源，短弧焊采用陡降外特性電源，上述誤差都將減小。2/5/202314第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)3、等速送絲自身調(diào)節(jié)的靈敏度

調(diào)節(jié)靈敏度是指調(diào)節(jié)過程的速度，速度愈快，所需調(diào)節(jié)時(shí)間愈短，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果愈好。由于焊絲送進(jìn)速度恒定，弧長(zhǎng)干擾可借助焊絲熔化速度變化所產(chǎn)生的自身調(diào)節(jié)作用得到補(bǔ)償，因此系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度的快慢，即調(diào)節(jié)靈敏度取決于熔化速度變化量的大小。

vm=kiIa-kuUa（短?。?/p>

或vm=kiIa（長(zhǎng)弧）

ki和Ia是影響調(diào)節(jié)靈敏度的主要因素。

2/5/202315第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)影響調(diào)節(jié)靈敏度的因素焊絲直徑和電流密度：當(dāng)焊絲很細(xì)或電流密度足夠大時(shí)，ki大，vm大，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈敏度高。

電源外特性形狀：電弧靜特性與電源外特性的匹配將影響調(diào)節(jié)過程中Ia的大小。一般（長(zhǎng)弧焊）采用緩降或平特性，甚至上升特性電源。

弧柱的電場(chǎng)強(qiáng)度E：E越大，弧長(zhǎng)變化時(shí)引起的Ia和Ua越大。

電弧長(zhǎng)度：弧長(zhǎng)足夠短時(shí)，Ku明顯增大，即采用恒流電源，電弧自身調(diào)節(jié)作用仍然十分靈敏。2/5/202316第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)4、等速送絲熔化極電弧焊的電流、電壓調(diào)節(jié)方法長(zhǎng)弧焊：自身調(diào)節(jié)曲線幾乎垂直于電流坐標(biāo)軸采用緩降、平或微升特性電源

Ia通過送絲速度調(diào)節(jié)，Ua通過電源外特性調(diào)節(jié)。短弧焊：自身調(diào)節(jié)曲線右拐采用陡降外特性電源Ia、Ua調(diào)節(jié)分別由電源外特性、送絲速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。2/5/202317第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)三、電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要用于變速送絲并匹配陡降特性焊接電源的粗焊絲熔化極自動(dòng)電弧焊。1、調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)原理：以Ua為被調(diào)量，vf即為操作量，即vf=f(Ua)。當(dāng)弧長(zhǎng)由于外界干擾增大(縮短)時(shí)，Ua增大(減少)，vf增大(減少)，從而迫使弧長(zhǎng)回到原來(lái)長(zhǎng)度，保證焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定。2/5/202318第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)vf≈k（Ua-Uc'）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)vf≈k（Ua-Uc）電弧電壓調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性方程電弧電壓調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性方程電弧電壓調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性方程電弧電壓調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性方程2/5/202319第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性該直線上所有點(diǎn)滿足vf=vm，并與電源外特性相交確定系統(tǒng)的穩(wěn)定工作點(diǎn)；k足夠大，tanβ→0，系統(tǒng)靜特性接近于平行電流坐標(biāo)軸；Uc增加，系統(tǒng)靜特性平行上移；焊絲直徑減小、焊絲伸出長(zhǎng)度增大，ki增大，tanβ增大，系統(tǒng)靜特性變陡；焊絲材料和保護(hù)條件的影響。電弧電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性2/5/202320第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)3、電弧電壓反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度焊絲伸出長(zhǎng)度不變、弧長(zhǎng)波動(dòng)，調(diào)節(jié)過程不帶靜態(tài)誤差。2/5/202321第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)焊槍高度變化使弧長(zhǎng)波動(dòng)時(shí)，ki變化，調(diào)節(jié)過程帶有靜態(tài)誤差；ki很小，k很大，影響不大。電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)電弧電壓誤差很小，焊接電流誤差顯著，宜采用陡降外特性。2/5/202322第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)4、電弧電壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)靈敏度系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈敏度主要取決于弧長(zhǎng)變動(dòng)時(shí)送絲速度變化量vf的大?。?/p>

vf=kUa且Ua=Elak值越大，調(diào)節(jié)器靈敏度越高。但由于系統(tǒng)的機(jī)電慣性，k值過大則容易產(chǎn)生振蕩?；≈妶?chǎng)強(qiáng)度越大，同樣弧長(zhǎng)變化引起的Ua越大，調(diào)節(jié)靈敏度也越高。2/5/202323第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)5、電弧電壓反饋熔化極電弧焊的電流和電壓調(diào)節(jié)方法系統(tǒng)靜特性曲線為近乎平行于電流軸的直線；電源通常采用陡降外特性；調(diào)節(jié)電源外特性即可改變焊接電流，調(diào)節(jié)送絲給定控制電壓（平均送絲速度）則可改變電弧電壓。2/5/202324第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第一節(jié)熔化極電弧焊的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比較返回長(zhǎng)弧焊情況，短弧焊類似弧壓反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)2/5/202325第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（自學(xué)）驅(qū)動(dòng)主電路多為晶閘管可控制整流電路，脈寬調(diào)制開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路具有更寬的調(diào)節(jié)范圍和更高的調(diào)節(jié)精度，其應(yīng)用正在逐步擴(kuò)大。一、晶閘管可控制整流驅(qū)動(dòng)電路常用的轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)方法：電樞電壓負(fù)反饋、電樞電流正反饋、電勢(shì)負(fù)反饋。2/5/202326第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（一）晶閘管整流驅(qū)動(dòng)電路中的反饋環(huán)節(jié)2/5/202327第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)電樞電壓負(fù)反饋2/5/202328第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)電樞電壓負(fù)反饋和電樞電流正反饋2/5/202329第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)電勢(shì)負(fù)反饋2/5/202330第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（二）改善晶閘管整流驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)態(tài)品質(zhì)的措施

1、消除振蕩電動(dòng)機(jī)電樞為感性負(fù)載，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)械慣性，系統(tǒng)出現(xiàn)不規(guī)則振蕩。措施：（1）減小調(diào)節(jié)器中的放大倍數(shù)或在帶有正反饋的系統(tǒng)中減小正反饋量。（2）引入或調(diào)整局部負(fù)反饋或積分環(huán)節(jié)，如增大電樞電壓負(fù)反饋和電流正反饋晶閘管驅(qū)動(dòng)電路中的C1。2/5/202331第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（3）加入電樞電壓或電勢(shì)微分負(fù)反饋2/5/202332第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)2、限制起動(dòng)沖擊起動(dòng)瞬時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，負(fù)反饋信號(hào)為零，晶閘管全導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)速產(chǎn)生很大的沖擊值，前者損壞電機(jī)和晶閘管，后者使引弧不可靠或引弧點(diǎn)熔深不足。解決辦法：（1）在信號(hào)輸入端加積分環(huán)節(jié)，如增大電樞電壓負(fù)反饋和電流正反饋晶閘管驅(qū)動(dòng)電路中的C1。2/5/202333第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（2）加入電流截止負(fù)反饋電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)2/5/202334第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)二、脈寬調(diào)制式開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

晶閘管驅(qū)動(dòng)電路中直流電動(dòng)機(jī)在脈沖供電狀態(tài)下工作，發(fā)熱比較嚴(yán)重，必須降低使用功率；波形不連續(xù)，低速穩(wěn)定特性差。晶閘管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，控制周期長(zhǎng)，當(dāng)電網(wǎng)電壓和負(fù)載力矩在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償能力差。主電路

2/5/202335第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)脈寬調(diào)制電路2/5/202336第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第二節(jié)恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)返回2/5/202337第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)控制電弧焊的程序自動(dòng)控制是指自動(dòng)焊接設(shè)備的各個(gè)部件、各種功能進(jìn)入指定工作狀態(tài)的先后次序控制。一、程序自動(dòng)控制的對(duì)象和要求主要對(duì)象：弧焊電源送絲電動(dòng)機(jī)行走小車或移動(dòng)焊件的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸送保護(hù)氣體或離子氣的電磁氣閥高頻或脈沖發(fā)生器焊槍或焊件定位驅(qū)動(dòng)電機(jī)、焊件定位夾緊氣閥、焊劑回收泵等。2/5/202338第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)控制基本要求：提前送氣或滯后停氣可靠地一次引燃電弧

引弧控制方式：爆裂引弧、慢送絲引弧、回抽引弧、高頻或脈沖引弧順利地熄弧收焊

控制方法：焊絲返燒熄弧、除球熄弧、電流衰減熄弧、電弧后退熄弧焊接過程參數(shù)的程序控制2/5/202339第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)控制自動(dòng)電弧焊的程序循環(huán)圖U-電弧電壓I-焊接電流vf-送絲速度vW-焊接速度Q1-保護(hù)氣體流Q2、Q3-離子氣體流UH-高頻引弧電壓鎢極氬弧焊熔化極氣體保護(hù)焊埋弧焊專用CO2自動(dòng)焊脈沖鎢極氬弧焊等離子弧焊2/5/202340第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)控制二、程序自動(dòng)控制的轉(zhuǎn)換和實(shí)現(xiàn)方法

電弧焊的程控除接受必要的人工操作指令，如啟動(dòng)、停止、急停外，其余程序轉(zhuǎn)換都無(wú)須人工參與而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)換方式：

時(shí)間轉(zhuǎn)換：按時(shí)間間隔進(jìn)行程序轉(zhuǎn)換。保護(hù)氣體提前、滯后，焊絲返燒熄弧皆屬此類。

行程轉(zhuǎn)換：以空間距離為程序轉(zhuǎn)換條件。焊縫終點(diǎn)時(shí)自動(dòng)熄弧，焊槍自動(dòng)返回等即用此法實(shí)現(xiàn)。

條件轉(zhuǎn)換：以電弧引燃或熄滅、焊件裝夾定位、焊輪運(yùn)動(dòng)位置等特定條件實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。2/5/202341第三章電弧焊自動(dòng)控制基礎(chǔ)第三節(jié)電弧焊的程序自動(dòng)