焊接电弧及熔滴控制

关于焊接电弧及熔滴控制第一页，共二十八页，2022年，8月28日无磁场焊接电弧特性第二页，共二十八页，2022年，8月28日无磁场时电弧区域带电粒子的运动：1.带电粒子的热运动2.外加电场作用下带电粒子的运动3.带电粒子在电弧自身径向(横向)电场作用下的运动4.因径向带电粒子浓度差异引起的扩散运动无磁场焊接电弧特性第三页，共二十八页，2022年，8月28日

无磁场时对于熔滴上的作用力1、重力2、表面张力3、电弧力（电磁收缩力、等离子流力、斑点压力）4、爆破力5、电弧气体吹力

无磁场时熔滴过渡的主要形式1、自由过渡（粗滴过渡、排斥过渡、细滴过渡、射滴过渡、射流过渡、旋转射流过渡、爆炸过渡）2、接触过渡（短路过渡、搭桥过渡）3、渣壁过渡（沿渣壳过渡、沿套筒过渡）无磁场焊接电弧特性第四页，共二十八页，2022年，8月28日一、熔滴过渡传统控制方法

传统的方法是在焊接回路中串联一个电感，限制短路电流上升速度di/dt以及短路电流峰值Imax并且电感在短路期间储存的能量在燃弧期放出，有助于增加燃弧能量，对获得良好的焊缝成形有利。目前国内大量使用的CO2焊机多采用这种方法。当电感量小时，di/dt大，短路峰值电流Isd也大，燃弧电流衰减很快，并接近于0，如图2-2(a)。当电感合适时，di/dt较小，Isd不高，燃弧电流衰减较慢，如图2-2(b)。当电感较大时，di/dt很小，Isd保持一段时间之后小桥才能爆断，如图2-2(c)。显然，电感较小时，容易产生小颗粒飞溅，而电感较大时容易产生大颗粒飞溅，当电感很大时，由于di/dt很小，焊丝与熔池接触处来不及爆断，而使焊丝与熔池发生固体短路，难以爆断。无磁场熔滴控制方式第五页，共二十八页，2022年，8月28日二、熔滴过程脉动送丝控制方式（CMT控制）脉动送丝方式主要是通过特殊的送丝机构，采用“一送一停”的脉动方式进行，使熔滴过渡变得有规律，通过对焊丝直径、电阻热、停送时间、送丝距离及速度的控制，达到细化熔滴尺寸的目的。在送丝步距和送丝频率合适的情况下，CO2焊中的熔滴过渡一改等速送丝时的杂乱无章，而变成一步一个熔滴，即每一次送丝都造成一次短路过渡，过渡的频率等于脉动送丝的频率，熔滴形成后，焊丝高速推进，将熔滴送入熔池完成短路过渡，这种强制性短路过渡方式有利于克服阻碍熔滴过渡的斑点压力，使熔滴顺利进入熔池，大大降低飞溅且不易形成咬边缺陷。这种方式的另一个特点是不必过分控制电弧电压及焊接电流，适用于大范围的焊接要求。其不足在于难以保证焊丝动作与熔滴过渡的同步，机械结构复杂。脉动送丝的实现方式有很多，比如送丝回抽、凸轮脉动送丝和焊接电流波形联合控制等。无磁场熔滴控制方式第六页，共二十八页，2022年，8月28日送丝回抽，是利用机械力来协助或控制液桥过渡的方法。这种方法的意图是通过焊丝的瞬时回抽，用机械力来实现液桥过渡，避免液桥后期在大电流下爆炸。在短路液桥收缩过程中的后期，在适当的时机，降低液桥电流，通过控制焊丝回抽来拉断液桥。由于该方法是意图在低电流条件下用机械力来拉断液桥，在原理上，可以避免液桥在大电流下的爆炸和飞溅。但是，焊丝回抽系统的动态响应很难达到理想的程度，焊丝回抽系统的动态响应决定于检测和控制系统的动态响应、电机和减速机械系统的动态响应以及焊丝在送丝软管中运动的动态响应三部分组成。由于焊丝由送进变为回抽所需的过渡时间太长，无法保证焊丝的运动与液桥收缩和电流控制同步。由于送丝软管的存在，焊丝在软管里的运动是一个具有弹性的过程，从送丝轮的运动到焊丝末端的运动有一个相对于熔滴收缩的时间长得多的滞后，因此为保证焊丝末端的运动与电流控制、液桥收缩的同步，需要对送丝系统和焊枪部分进行专门研发设计，导致成本大大增加，不利于使用和推无磁场熔滴控制方式第七页，共二十八页，2022年，8月28日(1)t0～t1阶段基值电流为50～100A，是形成熔滴的阶段，电流恒定。(2)t1～t2阶段在基值电流下，焊丝端部熔滴在表面张力作用下形成近似球状，熔滴一旦接触熔池，电弧电压立刻提供反馈信号，基值电流很快降到10A左右，表面张力开始吸引熔滴从焊丝向熔池过渡，形成小桥。(3)t2～t3为缩颈阶段，此阶段电流上升到一个较大值，由于电磁收缩力的作用，加速了熔滴缩颈。(4)t3～t4为熔滴的过渡阶段，随着缩颈的形成，小桥电阻增大，在小桥断裂前，电流很快减小，小桥在表面张力的作用下，实现无飞溅过渡。(5)t5～t6阶段为熔滴已通过表面张力作用过渡到熔池，同时增加电流使焊丝熔化形成熔滴。(6)t6～t7阶段是形成熔滴后，电流降到基值电流，抑制熔池搅拌，准备进行下一次的过渡循环。ThemetaltransferprocessduringCMTprocess(frame/1ms).无磁场熔滴控制方式第八页，共二十八页，2022年，8月28日三、熔滴过渡组合外特性控制

由于CO2焊接短路过渡各阶段需要不同的电源外特性，国内外学者又提出了通过组合外特性控制飞溅的方案。这种方案针对特定阶段，定时切换电源外特性。其方法实质上与电流波形控制类似，不同之处是不同的外特性对电弧具有不同的调节作用。无磁场熔滴控制方式第九页，共二十八页，2022年，8月28日1.双阶梯形外特性控制图2-3为双阶梯形外特性示意图，包括3条恒流特性、1条恒压特性和两条上升特性，电弧的工作点在3条恒流特性间跳动，具有良好的自调节作用。当焊接过正常进行，弧长稳定，电弧工作在ib段上，此时恒定的燃弧电流可以使电弧稳定的燃烧。若弧长变短，弧压下降，工作点跳至恒流段ic上，则由于电流的增加，加快了焊丝的熔化速度，使弧长增加，工作点重新回到ib段。反之，若弧长变长，使得电流工作点跳至ia段，则会因电流ia仅仅具有维弧功能，无法熔化焊丝而使弧长变短，工作点也会重新回到ib段。该方法可以有效地减少焊接飞溅，但是复杂的外特性曲线需要复杂的控制系统。随着焊接参数的改变，外特性曲线也需作相应调整，设计上比较复杂。无磁场熔滴控制方式第十页，共二十八页，2022年，8月28日2.复合外特性控制

这种控制方法是将短路液桥收缩过程和电弧过程分为燃弧、短路瞬间、液桥的颈缩、爆断以及电弧重新引燃等瞬时过程，根据每一瞬时过程理想状态下需要的电流、电压值，设计出相应的理想外特性，并实现这些外特性段的自动连接和自动转换。下图为复合外特性控制法示意图。这种控制的特点为：1)当熔滴与熔池发生短路时，电源输出一个很小的电流，让熔滴在熔池表面铺展，防止瞬间短路飞溅的发生；2)当熔滴在熔池表面铺展，形成稳定的液桥后，电流以较高的增长率上升到适当的短路峰值电流，使短路液桥在该电流下收缩，形成颈缩；3)到了短路液桥收缩的后期即将爆断前的瞬间，短路电流迅速降低，液桥在小电流下断开，减少液桥爆断时飞溅的产生；4)在液桥断开，电弧重新引燃的同时，电源会立即在一段时间内输出熔深控制特性，产生一个较强的燃弧脉冲电流，增加燃弧能量和焊缝熔深，该熔深控制外特性的作用时间可以根据熔深的要求进行调节和预置，以便在相同的送丝速度下获得不同的熔深；5)在燃弧脉冲过后电弧会自动进入弧长检测和控制状态，使电弧长度和熔滴大小受到控制。无磁场熔滴控制方式第十一页，共二十八页，2022年，8月28日无磁场熔滴控制方式第十二页，共二十八页，2022年，8月28日3.三维外特性控制

该方法把焊接电源的外特性用方程表示为：f(i,u,t)=0，反映在二维i、u平面内是一系列曲线，根据负载变化的不同时刻，调整工作点，以输出最佳电流、电压，达到控制电弧的目的。焊接过程中电弧究竟在哪条曲线上燃烧取决于时间t。t与电弧负载及最佳焊接质量一一对应。在焊接过程中，当负载状态发生变化时，电源会根据焊接工艺的要求将电弧工作点调整到合适的外特性曲线上，以输出最符合需要的电流和电压，从而控制焊接电弧的工艺性能。通过采用外特性的组合控制，很大程度上弥补了传统控制方式产生的难以兼顾短路过程两个阶段对电路需求的问题。然而，这种方法还是不能避免液桥颈缩在短路峰值电流下爆断，控制飞溅的效果并不令人满意。无磁场熔滴控制方式第十三页，共二十八页，2022年，8月28日四、熔滴过渡的波形控制方式

随着逆变技术及对飞溅机理的认识不断深入，具有分时控制特点的波形控制法便应运而生了。人们已认识到必须在熔滴过渡的不同时刻迅速进行相应的控制，满足过渡熔滴的受力和受热的不同需要，这样才能既保证稳定的过渡过程又可最大程度地减少飞溅。即在颈缩形成过程，提高电流上升速度，促进颈缩形成，而在短路过渡后期，降低电流，使液桥爆破在低的爆炸能量下完成，获得无飞溅的短路过渡过程。无磁场熔滴控制方式第十四页，共二十八页，2022年，8月28日针对传统控制方法的不足，焊接工作者提出了负脉冲诱导波形控制法，这就是一种粗糙调节的波形控制方法。其原理是在熔滴与熔池即将发生接触短路的瞬间，给焊接电流附加一个负脉冲，使阻碍熔滴过渡的电弧力减小，从而诱使短路过程平稳进行而且减小瞬时短路引起的飞溅。当短路进入稳态以后再结束负脉冲，使电流迅速上升促使熔滴小桥在电磁收缩力和表面张力的共同作用下产生颈缩，并断开完成熔滴过渡。无磁场熔滴控制方式第十五页，共二十八页，2022年，8月28日1.表面张力过渡

1993年9月在德国埃森第十三届国际焊接与切割博览会上，美国林肯电气公司展出了一种利用表面张力控制熔滴短路过渡的电源，并称该技术为STT(TheSurfaceTensionTransfer)技术，其以柔和的电弧、极小的飞溅和极佳的打底焊质量引起人们的关注。它是在逆变频率为20kHZ的场效应管逆变焊机的基础上，将短路过渡过程细分为：基值电流段、熔滴铺展段、颈缩段、能量下降段、液桥爆断段、重燃弧段等6个阶段进行控制。在熔滴颈缩形成小桥的前后时间段，将电流迅速减小（以微秒计），使熔滴靠自身的表面张力从焊丝向熔池过渡，而小桥段内以大电流快速使小桥颈缩，以实现无飞溅。另外，STT技术的一个重要而全新的特点是其焊接电流与送丝速度无关，因此可以在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好的控制热量输入，而得到合适的熔深和完整的背面成形。下图STT波形控制示意图无磁场熔滴控制方式第十六页，共二十八页，2022年，8月28日2.能量控制法

这种方法的核心思想在于通过电源输出合适的电流、电压波形，从而控制调节熔滴的能量来达到减小飞溅的目的。在熔滴刚开始短路的一小段时间内将电流从基值调节到某一定值，使焊丝可靠插入熔池，接着发出高能脉冲电流，促使短路小桥颈缩，然后小桥断裂分离，将电弧重新引燃。再用较高电流维持一段时间，以增加重燃电弧的能量，改善焊缝成形，之后电流回到基值，完成一次熔滴过渡的能量控制。基值电流较小，用于维弧并使焊丝末端均匀熔化，避免形成较大小球。能量控制波形如下图所示。无磁场熔滴控制方式第十七页，共二十八页，2022年，8月28日3.智能控制

焊接电弧有非线性、时变性的特点，难以建立精确的数学模型，而智能控制通过神经网络、专家系统、模糊控制等技术无需建立精确的模型而实现最佳控制。下图智能控制示意图。图中有7个可控参数，其中短路峰值电流iSP、短路峰值电流持续时间tS1、电弧燃烧时间tA0、电弧重燃时刻的电流iAP、基值电流iAB等5个参数是通过智能控制来实现预制及控制的。这些参数值的确定需经过大量的工艺试验得到他们相对于飞溅量最小的优化值，然后将最优值存于CPU中。实际控制中由智能控制器根据这些值确定动态控制过程。将经过大量工艺试验确定的最优值存入CPU，提供给智能控制器进行最优参数控制，这样操作使用者只需设定保护气类型、焊丝直径及焊接电流，智能控制器便可决定与电流对应的焊接电压(可调)并根据所设定的5个参数的最优值对焊接过程进行智能控制。无磁场熔滴控制方式第十八页，共二十八页，2022年，8月28日4.DUOPlusTM在MIG焊中的应用DUOPlusTM专有的脉冲焊接技术,其特点是可以实现两个焊接次序间的自动切换。可以任意设定焊接电流的基值、峰值时间和电流值,实现焊接电流的脉动输出;同时焊丝会随着电流脉冲的输出而脉动送给,完全实现一脉一滴的喷射过渡形式。第十九页，共二十八页，2022年，8月28日外加磁场对电弧运动的影响第二十页，共二十八页，2022年，8月28日外加磁场对电弧运动的影响第二十一页，共二十八页，2022年，8月28日外加磁场对带点离子的影响电子在电场和磁场共同作用下的受力状况及电子运动的速度分量如图3所示。电子的运动轨迹为绕轴线的螺旋线如图4所示。第二十二页，共二十八页，2022年，8月28日外加磁场对于焊接熔滴的作用力当施加磁场控制之后，焊接电弧以及焊丝端部的