焊接電弧及熔滴控制

關(guān)于焊接電弧及熔滴控制無磁場焊接電弧特性第2頁,共28頁，2024年2月25日，星期天無磁場時(shí)電弧區(qū)域帶電粒子的運(yùn)動(dòng)：1.帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)2.外加電場作用下帶電粒子的運(yùn)動(dòng)3.帶電粒子在電弧自身徑向(橫向)電場作用下的運(yùn)動(dòng)4.因徑向帶電粒子濃度差異引起的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)無磁場焊接電弧特性第3頁,共28頁，2024年2月25日，星期天

無磁場時(shí)對(duì)于熔滴上的作用力1、重力2、表面張力3、電弧力（電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)壓力）4、爆破力5、電弧氣體吹力

無磁場時(shí)熔滴過渡的主要形式1、自由過渡（粗滴過渡、排斥過渡、細(xì)滴過渡、射滴過渡、射流過渡、旋轉(zhuǎn)射流過渡、爆炸過渡）2、接觸過渡（短路過渡、搭橋過渡）3、渣壁過渡（沿渣殼過渡、沿套筒過渡）無磁場焊接電弧特性第4頁,共28頁，2024年2月25日，星期天一、熔滴過渡傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的方法是在焊接回路中串聯(lián)一個(gè)電感，限制短路電流上升速度di/dt以及短路電流峰值Imax并且電感在短路期間儲(chǔ)存的能量在燃弧期放出，有助于增加燃弧能量，對(duì)獲得良好的焊縫成形有利。目前國內(nèi)大量使用的CO2焊機(jī)多采用這種方法。當(dāng)電感量小時(shí)，di/dt大，短路峰值電流Isd也大，燃弧電流衰減很快，并接近于0，如圖2-2(a)。當(dāng)電感合適時(shí)，di/dt較小，Isd不高，燃弧電流衰減較慢，如圖2-2(b)。當(dāng)電感較大時(shí)，di/dt很小，Isd保持一段時(shí)間之后小橋才能爆斷，如圖2-2(c)。顯然，電感較小時(shí)，容易產(chǎn)生小顆粒飛濺，而電感較大時(shí)容易產(chǎn)生大顆粒飛濺，當(dāng)電感很大時(shí)，由于di/dt很小，焊絲與熔池接觸處來不及爆斷，而使焊絲與熔池發(fā)生固體短路，難以爆斷。無磁場熔滴控制方式第5頁,共28頁，2024年2月25日，星期天二、熔滴過程脈動(dòng)送絲控制方式（CMT控制）脈動(dòng)送絲方式主要是通過特殊的送絲機(jī)構(gòu)，采用“一送一停”的脈動(dòng)方式進(jìn)行，使熔滴過渡變得有規(guī)律，通過對(duì)焊絲直徑、電阻熱、停送時(shí)間、送絲距離及速度的控制，達(dá)到細(xì)化熔滴尺寸的目的。在送絲步距和送絲頻率合適的情況下，CO2焊中的熔滴過渡一改等速送絲時(shí)的雜亂無章，而變成一步一個(gè)熔滴，即每一次送絲都造成一次短路過渡，過渡的頻率等于脈動(dòng)送絲的頻率，熔滴形成后，焊絲高速推進(jìn)，將熔滴送入熔池完成短路過渡，這種強(qiáng)制性短路過渡方式有利于克服阻礙熔滴過渡的斑點(diǎn)壓力，使熔滴順利進(jìn)入熔池，大大降低飛濺且不易形成咬邊缺陷。這種方式的另一個(gè)特點(diǎn)是不必過分控制電弧電壓及焊接電流，適用于大范圍的焊接要求。其不足在于難以保證焊絲動(dòng)作與熔滴過渡的同步，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜。脈動(dòng)送絲的實(shí)現(xiàn)方式有很多，比如送絲回抽、凸輪脈動(dòng)送絲和焊接電流波形聯(lián)合控制等。無磁場熔滴控制方式第6頁,共28頁，2024年2月25日，星期天送絲回抽，是利用機(jī)械力來協(xié)助或控制液橋過渡的方法。這種方法的意圖是通過焊絲的瞬時(shí)回抽，用機(jī)械力來實(shí)現(xiàn)液橋過渡，避免液橋后期在大電流下爆炸。在短路液橋收縮過程中的后期，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，降低液橋電流，通過控制焊絲回抽來拉斷液橋。由于該方法是意圖在低電流條件下用機(jī)械力來拉斷液橋，在原理上，可以避免液橋在大電流下的爆炸和飛濺。但是，焊絲回抽系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很難達(dá)到理想的程度，焊絲回抽系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)決定于檢測和控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、電機(jī)和減速機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及焊絲在送絲軟管中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)三部分組成。由于焊絲由送進(jìn)變?yōu)榛爻樗璧倪^渡時(shí)間太長，無法保證焊絲的運(yùn)動(dòng)與液橋收縮和電流控制同步。由于送絲軟管的存在，焊絲在軟管里的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)具有彈性的過程，從送絲輪的運(yùn)動(dòng)到焊絲末端的運(yùn)動(dòng)有一個(gè)相對(duì)于熔滴收縮的時(shí)間長得多的滯后，因此為保證焊絲末端的運(yùn)動(dòng)與電流控制、液橋收縮的同步，需要對(duì)送絲系統(tǒng)和焊槍部分進(jìn)行專門研發(fā)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致成本大大增加，不利于使用和推無磁場熔滴控制方式第7頁,共28頁，2024年2月25日，星期天(1)t0～t1階段基值電流為50～100A，是形成熔滴的階段，電流恒定。(2)t1～t2階段在基值電流下，焊絲端部熔滴在表面張力作用下形成近似球狀，熔滴一旦接觸熔池，電弧電壓立刻提供反饋信號(hào)，基值電流很快降到10A左右，表面張力開始吸引熔滴從焊絲向熔池過渡，形成小橋。(3)t2～t3為縮頸階段，此階段電流上升到一個(gè)較大值，由于電磁收縮力的作用，加速了熔滴縮頸。(4)t3～t4為熔滴的過渡階段，隨著縮頸的形成，小橋電阻增大，在小橋斷裂前，電流很快減小，小橋在表面張力的作用下，實(shí)現(xiàn)無飛濺過渡。(5)t5～t6階段為熔滴已通過表面張力作用過渡到熔池，同時(shí)增加電流使焊絲熔化形成熔滴。(6)t6～t7階段是形成熔滴后，電流降到基值電流，抑制熔池?cái)嚢?，?zhǔn)備進(jìn)行下一次的過渡循環(huán)。ThemetaltransferprocessduringCMTprocess(frame/1ms).無磁場熔滴控制方式第8頁,共28頁，2024年2月25日，星期天三、熔滴過渡組合外特性控制

由于CO2焊接短路過渡各階段需要不同的電源外特性，國內(nèi)外學(xué)者又提出了通過組合外特性控制飛濺的方案。這種方案針對(duì)特定階段，定時(shí)切換電源外特性。其方法實(shí)質(zhì)上與電流波形控制類似，不同之處是不同的外特性對(duì)電弧具有不同的調(diào)節(jié)作用。無磁場熔滴控制方式第9頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.雙階梯形外特性控制圖2-3為雙階梯形外特性示意圖，包括3條恒流特性、1條恒壓特性和兩條上升特性，電弧的工作點(diǎn)在3條恒流特性間跳動(dòng)，具有良好的自調(diào)節(jié)作用。當(dāng)焊接過正常進(jìn)行，弧長穩(wěn)定，電弧工作在ib段上，此時(shí)恒定的燃弧電流可以使電弧穩(wěn)定的燃燒。若弧長變短，弧壓下降，工作點(diǎn)跳至恒流段ic上，則由于電流的增加，加快了焊絲的熔化速度，使弧長增加，工作點(diǎn)重新回到ib段。反之，若弧長變長，使得電流工作點(diǎn)跳至ia段，則會(huì)因電流ia僅僅具有維弧功能，無法熔化焊絲而使弧長變短，工作點(diǎn)也會(huì)重新回到ib段。該方法可以有效地減少焊接飛濺，但是復(fù)雜的外特性曲線需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。隨著焊接參數(shù)的改變，外特性曲線也需作相應(yīng)調(diào)整，設(shè)計(jì)上比較復(fù)雜。無磁場熔滴控制方式第10頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.復(fù)合外特性控制

這種控制方法是將短路液橋收縮過程和電弧過程分為燃弧、短路瞬間、液橋的頸縮、爆斷以及電弧重新引燃等瞬時(shí)過程，根據(jù)每一瞬時(shí)過程理想狀態(tài)下需要的電流、電壓值，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的理想外特性，并實(shí)現(xiàn)這些外特性段的自動(dòng)連接和自動(dòng)轉(zhuǎn)換。下圖為復(fù)合外特性控制法示意圖。這種控制的特點(diǎn)為：1)當(dāng)熔滴與熔池發(fā)生短路時(shí)，電源輸出一個(gè)很小的電流，讓熔滴在熔池表面鋪展，防止瞬間短路飛濺的發(fā)生；2)當(dāng)熔滴在熔池表面鋪展，形成穩(wěn)定的液橋后，電流以較高的增長率上升到適當(dāng)?shù)亩搪贩逯惦娏鳎苟搪芬簶蛟谠撾娏飨率湛s，形成頸縮；3)到了短路液橋收縮的后期即將爆斷前的瞬間，短路電流迅速降低，液橋在小電流下斷開，減少液橋爆斷時(shí)飛濺的產(chǎn)生；4)在液橋斷開，電弧重新引燃的同時(shí)，電源會(huì)立即在一段時(shí)間內(nèi)輸出熔深控制特性，產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的燃弧脈沖電流，增加燃弧能量和焊縫熔深，該熔深控制外特性的作用時(shí)間可以根據(jù)熔深的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)和預(yù)置，以便在相同的送絲速度下獲得不同的熔深；5)在燃弧脈沖過后電弧會(huì)自動(dòng)進(jìn)入弧長檢測和控制狀態(tài)，使電弧長度和熔滴大小受到控制。無磁場熔滴控制方式第11頁,共28頁，2024年2月25日，星期天無磁場熔滴控制方式第12頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.三維外特性控制

該方法把焊接電源的外特性用方程表示為：f(i,u,t)=0，反映在二維i、u平面內(nèi)是一系列曲線，根據(jù)負(fù)載變化的不同時(shí)刻，調(diào)整工作點(diǎn)，以輸出最佳電流、電壓，達(dá)到控制電弧的目的。焊接過程中電弧究竟在哪條曲線上燃燒取決于時(shí)間t。t與電弧負(fù)載及最佳焊接質(zhì)量一一對(duì)應(yīng)。在焊接過程中，當(dāng)負(fù)載狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，電源會(huì)根據(jù)焊接工藝的要求將電弧工作點(diǎn)調(diào)整到合適的外特性曲線上，以輸出最符合需要的電流和電壓，從而控制焊接電弧的工藝性能。通過采用外特性的組合控制，很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制方式產(chǎn)生的難以兼顧短路過程兩個(gè)階段對(duì)電路需求的問題。然而，這種方法還是不能避免液橋頸縮在短路峰值電流下爆斷，控制飛濺的效果并不令人滿意。無磁場熔滴控制方式第13頁,共28頁，2024年2月25日，星期天四、熔滴過渡的波形控制方式

隨著逆變技術(shù)及對(duì)飛濺機(jī)理的認(rèn)識(shí)不斷深入，具有分時(shí)控制特點(diǎn)的波形控制法便應(yīng)運(yùn)而生了。人們已認(rèn)識(shí)到必須在熔滴過渡的不同時(shí)刻迅速進(jìn)行相應(yīng)的控制，滿足過渡熔滴的受力和受熱的不同需要，這樣才能既保證穩(wěn)定的過渡過程又可最大程度地減少飛濺。即在頸縮形成過程，提高電流上升速度，促進(jìn)頸縮形成，而在短路過渡后期，降低電流，使液橋爆破在低的爆炸能量下完成，獲得無飛濺的短路過渡過程。無磁場熔滴控制方式第14頁,共28頁，2024年2月25日，星期天針對(duì)傳統(tǒng)控制方法的不足，焊接工作者提出了負(fù)脈沖誘導(dǎo)波形控制法，這就是一種粗糙調(diào)節(jié)的波形控制方法。其原理是在熔滴與熔池即將發(fā)生接觸短路的瞬間，給焊接電流附加一個(gè)負(fù)脈沖，使阻礙熔滴過渡的電弧力減小，從而誘使短路過程平穩(wěn)進(jìn)行而且減小瞬時(shí)短路引起的飛濺。當(dāng)短路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)以后再結(jié)束負(fù)脈沖，使電流迅速上升促使熔滴小橋在電磁收縮力和表面張力的共同作用下產(chǎn)生頸縮，并斷開完成熔滴過渡。無磁場熔滴控制方式第15頁,共28頁，2024年2月25日，星期天1.表面張力過渡

1993年9月在德國埃森第十三屆國際焊接與切割博覽會(huì)上，美國林肯電氣公司展出了一種利用表面張力控制熔滴短路過渡的電源，并稱該技術(shù)為STT(TheSurfaceTensionTransfer)技術(shù)，其以柔和的電弧、極小的飛濺和極佳的打底焊質(zhì)量引起人們的關(guān)注。它是在逆變頻率為20kHZ的場效應(yīng)管逆變焊機(jī)的基礎(chǔ)上，將短路過渡過程細(xì)分為：基值電流段、熔滴鋪展段、頸縮段、能量下降段、液橋爆斷段、重燃弧段等6個(gè)階段進(jìn)行控制。在熔滴頸縮形成小橋的前后時(shí)間段，將電流迅速減小（以微秒計(jì)），使熔滴靠自身的表面張力從焊絲向熔池過渡，而小橋段內(nèi)以大電流快速使小橋頸縮，以實(shí)現(xiàn)無飛濺。另外，STT技術(shù)的一個(gè)重要而全新的特點(diǎn)是其焊接電流與送絲速度無關(guān)，因此可以在大幅度減少飛濺和煙塵的同時(shí)更好的控制熱量輸入，而得到合適的熔深和完整的背面成形。下圖STT波形控制示意圖無磁場熔滴控制方式第16頁,共28頁，2024年2月25日，星期天2.能量控制法

這種方法的核心思想在于通過電源輸出合適的電流、電壓波形，從而控制調(diào)節(jié)熔滴的能量來達(dá)到減小飛濺的目的。在熔滴剛開始短路的一小段時(shí)間內(nèi)將電流從基值調(diào)節(jié)到某一定值，使焊絲可靠插入熔池，接著發(fā)出高能脈沖電流，促使短路小橋頸縮，然后小橋斷裂分離，將電弧重新引燃。再用較高電流維持一段時(shí)間，以增加重燃電弧的能量，改善焊縫成形，之后電流回到基值，完成一次熔滴過渡的能量控制?；惦娏鬏^小，用于維弧并使焊絲末端均勻熔化，避免形成較大小球。能量控制波形如下圖所示。無磁場熔滴控制方式第17頁,共28頁，2024年2月25日，星期天3.智能控制

焊接電弧有非線性、時(shí)變性的特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，而智能控制通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制等技術(shù)無需建立精確的模型而實(shí)現(xiàn)最佳控制。下圖智能控制示意圖。圖中有7個(gè)可控參數(shù)，其中短路峰值電流iSP、短路峰值電流持續(xù)時(shí)間tS1、電弧燃燒時(shí)間tA0、電弧重燃時(shí)刻的電流iAP、基值電流iAB等5個(gè)參數(shù)是通過智能控制來實(shí)現(xiàn)預(yù)制及控制的。這些參數(shù)值的確定需經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)得到他們相對(duì)于飛濺量最小的優(yōu)化值，然后將最優(yōu)值存于CPU中。實(shí)際控制中由智能控制器根據(jù)這些值確定動(dòng)態(tài)控制過程。將經(jīng)過大量工藝試驗(yàn)確定的最優(yōu)值存入CPU，提供給智能控制器進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)控制，這樣操作使用者只需設(shè)定保護(hù)氣類型、焊絲直徑及焊接電流，智能控制器便可決定與電流對(duì)應(yīng)的焊接電壓(可調(diào))并根據(jù)所設(shè)定的5個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值對(duì)焊接過程進(jìn)行智能控制。無磁場熔滴控制方式第18頁,共28頁，2024年2月25日，星期天4.DUOPlusTM在MIG焊中的應(yīng)用DUOPlusTM專有的脈沖焊接技術(shù),其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)焊接次序間的自動(dòng)切換?？梢匀我庠O(shè)定焊接電流的基值、峰值時(shí)間和電流值,實(shí)現(xiàn)焊接電流的脈動(dòng)輸出;同時(shí)焊絲會(huì)隨著電流脈沖的輸出而脈動(dòng)送給,完全實(shí)現(xiàn)一脈一滴的噴射過渡形式。第19頁,共28頁，2024年2月25日，星期天外加磁場對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響第20頁,共28頁，2024年2月25日，星期天外加磁場對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)的影響第21頁,共28頁，2024年2月25日，星期天外加磁場對(duì)帶點(diǎn)離子的影響電子在電場和磁場共同作用下的受力狀況及電子運(yùn)動(dòng)的速度分量如圖3所示。電子的運(yùn)動(dòng)軌跡為繞軸線的螺旋線如圖4所示。第22頁,共28頁，2024年2月25日，星期天外加磁場對(duì)于焊接熔滴的作用力當(dāng)施加磁場控制之后，焊接電弧以及焊絲端部的液態(tài)金屬除了受到上述諸力的作用之外，還會(huì)受到洛倫茲力的作用。第23頁,共2