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低飞溅CO2气保焊控制规律的研究

低飞溅CO2气保焊控制规律的研究
1 焊接电流波形与飞溅量及稳定性之间的关系
低飞溅CO2气保焊熔滴过渡的一个工作周期的焊接电流电压波形如图1所示,整个控制系统是分段电流闭环控制,电弧电压用来进行熔滴状态判定以控制不同阶段的给定的电流波形.
图1 低飞溅CO2气保焊的控制规律
1.1短路前期t0~t1
此阶段主要产生短路早期飞溅,熔滴与熔池刚开始接触,接触的截面积较小,产生的电流应力集中,产生飞溅.
短路前期焊接电流电压波形,如图2所示,由图中分析可见,同普通CO2短路过渡特性相同,燃弧转向短路时间很短.在短路最初的0.5~1μs内,电压首先是一个阶跃变化,而电流基本不变.在短路后约1个毫秒,焊接电压是基本不变的.

图 2  低飞溅CO2气保焊燃弧至短路过渡波形130A
将焊接的电压电流曲线进行处理,得到短路后期5ms内的液桥电阻变化曲线,如图3所示.可见在图3中的a~b阶段电阻突然降低,对应焊丝的刚发生短路;b~c阶段对应焊丝与熔池产生稳定的短路液桥,电阻基本不变;c时刻电阻急剧上升,对应发生了液桥缩颈状态;c~d阶段由于将短路电流切除,液桥电阻不再增加而持续一段时间基本不变,再缓慢增加将液桥拉断,此时液桥能量积累较低.
将图1中的t0~t1的时间间隔在0.5ms至1.2ms之间进行调节,对焊接稳定性的影响,在其它条件不变时,当t0~t1在0.4~0.8ms范围内变化时,对飞溅量、稳定性基本没有影响,当时间间隔大于0.8ms时稳定性变差,大于1.2ms时发生熔滴过渡困难及焊丝的顶丝现象,时间间隔小于0.5ms细颗粒飞溅增加.

图4、5、6分别表示t0~t1分别取0.4ms、0.7ms、1ms时的焊接电压、电流波形.
图4 t0 ~t1为0.4 ms时的焊接电压电流波形
图5  t0 ~t1为0.7 ms时的焊接电压电流波形
图6 t0 ~t1为1 ms时的焊接电压电流波形
从图4、5、6可见当t0~t1在0.4~1ms时间内调节时焊接电流、电压的波形基本上没有本质的改变.

1.2 短路电流上升段:t1~t2
    由图3得,此阶段的电流控制规律为 .
在此阶段中有两个基本参数,一个是初始电流 ,一个是电流上升率 .分别对应传统的CO2气保焊过渡过程中的短路电流初始值和短路电流上升率,传统CO2气保焊只能采用调整焊接回路电感的方法来调整焊接过程的动态特性.将输出电感调大,短路电流初值变大,但短路电流上升率降低,否则相反.而本文的控制方式,可独立调节这两个值的大小来优化熔滴过渡过程.
改变 的值可明显改变过渡的稳定性,当 较小时过渡时间变长, 较大时过渡时间变短,但 较大时对熔池冲击较大,易产生大颗粒状的飞溅.图7、8分别表示 为150A,350A时,焊接电压、电流波形.
图7 I2在150A时焊接电压电流波形
图8 I2在350A时焊接电压电流波形
改变电流上升率影响过渡的稳定性及缩颈检测的准确性,当电流上升率较大时,短路电流峰值也较大,液桥爆断前的需要控制的能量较大,一旦失控产生飞溅较多.根据式 知,当电流峰值太大时,会影响缩颈信号的判断,焊接过程将无法连续工作.
图9、10表示了电流上升率100A/ms和50A/ms的焊接电流、电压波形,从图中可见,电流上升率高,短路时间相对较短,过渡频率较高.
图9 电流上升率为100A/ms时焊接电压电流波形
图10 电流上升率为65A/ms时焊接电压电流波形
1.3缩颈判定信号
由图11知,在熔滴短路阶段中,液桥电阻的明显变化发生在液桥即将爆断前的100~200μs,由式 知,焊接电压的上升率可准确反应液桥电阻的变化率.本节探讨一下在短路后期电压曲线的什么位置进行斩波处理可以得到较好过渡效果.图12是普通CO2气保焊短路区转至燃弧区的电压电流曲线的根部图.在短路转向燃弧过程中的曲线上,根据电压上升率的不同值分别在曲线上取a,b,c,d四个点作为缩颈判定点.
图11 短路转入燃弧时的电压电流曲线
图12  CO2气保焊短路转至燃弧时的电压电流曲线
选择a作为缩颈判定点所得到的焊接电压、电流波形如图13所示.
图13 缩颈判定点为a点时的焊接电压电流波形
从图13中可见,选择a点作为缩为缩颈点判定,过渡时间很长,在表面张力下无法完全过渡.熔滴需重新施加短路电流脉冲才能完成过渡,说明此点液桥缩颈不完全.
选择b点作为缩颈判定点,焊接电流电压波形如图14所示,则缩颈比较充分,熔滴过渡良好,飞溅较小,稳定性很好.
图14 缩颈判定点为b点时的焊接电压电流波形
选择c点作为缩颈判定点,则缩颈更加充分,熔滴过渡良好,稳定性很好,但飞溅稍大.焊接电压电流波形如图15所示:
图15 缩颈判定点为c点时的焊接电流电压波形
从图15曲线中可见,熔滴分断时焊接电流已经降至很低,按理论讲爆断时电磁力很小,但实际上飞溅已开始增加,其原因是在图12中的c点之前液桥的能量已经积累起来了,液桥内已经接近气化状态,在切断焊接回路过程中,电流降低,但缩颈继续进行,能量继续积累而发生爆断,此时飞溅颗粒较小,由此可见要避免短路后期的飞溅,应该在熔滴分断时刻提前一段时间将电流降低,留出一段时间来降低液桥能量,液桥再进行分断时,飞溅将降至很低.
选择d点作为缩颈判定信号,得到熔滴过渡的电流电压波形如图16所示.
图16 选择d点作为缩颈判定点时的焊接电压电流波形
根据以上分析我们将短路阶段的后期分为三个区:非失稳区、失稳区、爆断区.a点即属于非失稳区域,在此区域内若切除电流,被压缩的液桥又会重新变粗,致使熔滴过渡困难.B点属于失稳区,在失稳区内若切除短路电流,则液桥在表面张力作用下,可自动完成爆断,液桥能量没有积累起来,基本不产生飞溅.c,d点属于爆断区,在爆断区内,液桥能量已积累至气化状态,切除短路电流后,液桥仍会发生气化爆炸而产生飞溅,液桥分断是由液桥内积累的能量爆炸造成的.
总之:当缩颈判定点处于非失稳区内,熔滴无法依靠表面张力进行过渡,而发生顶丝现象.当缩颈判定点处于失稳区内,焊接电流切除后,熔滴仍可以正常过渡到熔池中,电流切除点越接近非失稳区,熔滴过渡时间越长.当缩颈判定
点处于爆断区内,液桥将因较大的积累能量而爆断,产生飞溅.
图17 液桥缩颈后期的电压尖锋
1.4 燃弧脉冲前的等待时间t3~t4
判定燃弧及短路的条件是焊接电压是否大于13V,从短路转向燃弧时,由于存在液桥由粗变细的过程,在液桥分断前,液桥电阻已经很大了,会超过短路电压阀值判定点,仅以电压大于13V来判定是燃弧或短路会造成判定不正确.如图4.15所示,是短路后期的电流电压波形,从图中可见,在短路后期电压波形存在一个很大的电压尖峰,这个尖峰已超过13V,为了消除这种干扰,我们增加了去干扰环节.当检测到焊接电压大于13V后,施加一个延时时间段,若此时检测的焊接电压仍大于13V,则判定液桥分断了.
燃弧前所等待的时间t3~t4的长短对焊缝成型有一定的影响,一般取0.2~0.3ms.若时间过长则过渡频率较低,焊缝较高,若时间太短,则熔滴状态判定不准确,产生过渡不稳定.图18 表示出燃弧前延时时间2ms时电压与焊接电流的关系.
图18燃弧前等待时间为2ms时焊接电流与焊接电压
从图18中可见,在燃弧脉冲前等待时间内电弧电压约20V,即说明电弧是一直燃烧着.
1.5燃弧脉冲电流宽度与峰值
燃弧电流脉冲高度及宽度决定了熔滴的体积,也对弧长有一定影响.燃弧脉冲越宽,弧长越长,过渡频率越低,熔滴体积越大.
图19、20、21是燃弧脉冲为1ms、1.2ms、1.8ms时的焊接电流波形及对应定时波形.
图19 燃弧脉冲为1ms时的电流波形及定时波形
图20 燃弧脉冲为1.2ms时的焊接电压与电流波形
图21 燃弧脉冲为1.8ms时的焊接电流及定时波形
从图19-21可见,改变燃弧脉冲时间对过渡波形没有什么实质性改变,对短路时间的长短有一定影响.燃弧时间在1.0ms时,短路时间为4ms,燃弧时间为1.2ms时,短路时间为2.5ms,燃弧时间为1.8ms时,短路时间为4ms,证实了熔滴大小对于熔滴的过渡时间有一定影响,熔滴尺寸在最佳值过渡时间较短.
燃弧电流的形状对焊接过程有一定影响.
燃弧电流上升率较高,电弧冲力大,对熔池冲击较大,易产生大颗粒飞溅,发出噪音较大.将燃弧电流波形的上升下降沿平滑处理后,电弧十分柔和,熔池平静没有噪声,处理后的焊接电压电流波形如图22所示.
图22  燃弧电流平滑后的焊接电压电流波形
    从图22可见燃弧电流波形经过平滑化,由方波变为近似正弦半波,电流波形的下降沿对应的焊接电压波形发生下凹,紧接着产生一个电压振荡,说明此时电弧空间发生振荡,其振荡应该是由燃弧脉冲电流所激发,主要由熔池振荡振荡造成的.
1.6电流基值t6~t7段
基值电流,保证焊接稳定性及连续性,基值电流的较大,熔滴体积较大及电弧电压较高,给工件输入的热量增加,基值电流阶段焊丝熔化速度一定要小于送给速度,否则系统不稳定.
  图23基值电流为10A时的焊接电压电流波形
图24基值电流为100A时的焊接电压电流波形
从图中可见,基值电流较大时,过渡频率变低,基值电流较小时,过渡频率较高易出现断弧现象.
2焊丝直径与熔滴过渡之间的关系
分别选取直径Φ1.0,1.2,1.6焊丝(H08Mn2SiA),100%CO2气体进行试验,送丝速度为3m/min,得到如图25、26、27的焊接电压电流波形.
图25  φ1.0焊丝的焊接电压电流波形
图26 φ1.2焊丝的焊接电压电流波形
图27  φ1.6焊丝的焊接电压电流波形
    由图比较可得:随着焊丝直径的增加,燃弧电流峰值、宽度都相应增加,短路电流峰值也增加,过渡频率相应降低.
在图27中,φ1.6焊丝的短路电流波形已出现饱和现象,说明电流受到了焊机最大输出电流的限制.
3 输出回路电感对焊接稳定性的影响
输出回路电感值的大小直接影响到焊接稳定性及飞溅量的大小.输出回路电感较小时,系统的动态特性好,但易于断弧;输出回路电感较大时,电弧柔和、冲击力小,但焊接稳定性及适应性差,细颗粒飞溅大.
图28 输出电感5μH时焊接电压电流波形
从图28可见,输出回路电感较小时,电流电压波形变化速度快,跟随性好,但在燃弧中易发生断弧,造成下一次过渡困难,这是因为当输出电弧空间随机变化时,电感中存储的能量不足以维持电弧稳定燃烧,易产生断弧.
图29 输出电感50μH时焊接电压电流波形
从图29可见,输出电感较大时,焊接电流变化平稳.燃弧电流上升、下降都较平滑,对熔池的冲击力小,电弧平稳、柔和,由于缩颈控制能量较大,因而有细颗粒飞溅.
当电感增加较大时,会影响到阻碍短路电流的上升、下降率,引起熔滴缩颈不完全,影响到焊接稳定性.
4.4干伸长对熔滴过渡过程的影响
在焊接过程中,干伸长引起的电阻热会影响焊接过程已经在许多文献中论述过.在普通CO2气保焊中,当干伸长变短,其它条件不变时:短路电流及燃弧电流都相应增加,焊接电流增大,过渡频率提高;当干伸长变长时,情形相反.
低飞溅CO2气保焊主要依靠表面张力过渡的,电源外特性是分断恒流源,干伸长变化时,用于形成每个熔滴的燃弧电流值是基本不变的.图30、31是不同干伸长的电流电压波形,采用Φ1.2焊丝(H08Mn2SiA),送丝速度3.865米/分.
图30 干伸长10mm时的焊接电压电流波形
图32 干伸长20mm时的焊接电压电流波形
图33干伸长25mm时的焊接电压电流波形
图34 干伸长30mm时的焊接电压电流波形
在图30到图34中,干伸长从10mm增加至30mm,随着干伸长的不断增加,熔滴的过渡频率降低.一个熔滴的短路及燃弧时间基本没有改变,基值电流持续时间逐渐变长.两个熔滴之间的过渡时间变长的原因是,由于电阻热的原因,干伸长较长时,形成熔滴较大,每次过渡金属量多,在送丝速度不变时,过渡频率变低.同样干伸长较短时,熔滴直径较小,每次过渡的金属量变小,为保证同样的熔化速度,过渡频率将增加.但当干伸长过于短时,使形成电弧的空间变短,引起短路过渡困难,以致发生顶丝现象,反之,当干伸长大于30mm时焊接稳定性变差.
由以上分析可见,干伸长的电阻热会引起熔滴过渡过程的变化,干伸长越长,熔滴过渡频率越低,通过合理调节干伸长可以对焊接稳定性及焊缝的成型进行调节.
5 液桥爆断后电弧重新引弧性能的分析
5.1引燃弧电流值的研究
在液桥分断后,电弧应该重新引燃,为研究引弧性能,进行如下实验:
利用IGBT逆变器控制模式,在液桥完成缩颈后,使电流快速下降至约为零,完成液桥爆断,关闭IGBT逆变器,引弧电流由另外恒流源提供,工作原理如图35所示:

图35 引弧电流试验原理框图
图中焊接电流由两个电源提供,一个是逆变器输出的焊接主电源,一个是可调的恒流源,最高电压为70V,电流从2A开始起调,发现当恒流源电流大于5A时,焊接过程十分连续稳定.当焊接电流小于5A时,引弧困难,保证电流5A不变,降低恒流源的空载电压,当空载电压降至30V时,会出现经常出现断弧现象,焊缝余高,表面不光滑,如图36所示,该图为引弧电流5A时的焊接电压电流波形图,从图中可见,没有断弧发生.
图36 引弧电流为5A时焊接电压电流波形
5.2断弧现象分析
传统的CO2焊机进行CO2焊接过程中,从短路至燃弧的阶段发生转移时,电弧重新引燃失败的几率很小,因为电弧的引燃电流是液桥分断时的电流,液桥分断时电流很大,即重新燃弧电流较大,燃弧失败率很低.但利用表面张力过渡时,液桥是在小电流情况下分断的,因而电弧重新引弧时的稳定性比普通的CO2短路过渡差.为了提高焊接电流的动态特性,低飞溅气保焊机的输出电感都很小,在燃弧阶段也会由于电弧空间波动而造成燃弧期间断弧.
发生断弧时,对表面张力过渡的稳定性影响很大,如果断弧发生在燃弧阶段早期,由于焊丝顶端基本没有形成熔化的金属,没有形成表面张力过渡的条件,使熔滴过渡无法继续.如果断弧发生在燃弧中期或后期,此时熔滴基本形成,对焊接的稳定性影响较小,但会形成弧长高度变化.
实际电路中在判定电弧断弧后,则强迫使电路执行特殊过渡形式,在短路后期将不再将焊接电流降低,而是使燃弧前期电流与短路后期电流相等,将电弧引燃,下一个过渡周期再进行执行张力过渡的程序.
6 焊接电流的范围扩展的讨论
在 1.2焊丝,100%CO2气体保护下,电流在60~160A范围内已经基本实现无飞溅焊接,当电流超过180A,焊接过程很不稳定.由于大规范的气保焊的应用更广泛,因而扩展低飞溅的焊接电流范围有重要意义.
从宏观上讲,低飞溅气体保护焊工作原理是调频工作,两个组合脉冲来完成一个熔滴的过渡周期,一个组合脉冲来完成熔滴的生长,一个组合脉冲来完成熔滴的过渡,组合脉冲之间由基值电流阶段相连,焊接电流的大小或焊丝熔化速度,是由组合脉冲的过渡频率决定的.焊接电流越大基值电流阶段越短,当焊接电流达到最大值时,即过渡频率增至最大,基值电流阶段的持续时间为零,焊接电流为最大时焊接电流电压波形如图37所示:

图37 最大焊接电流波形图
图中t0~t6是熔滴过渡值,t6~t0是等待区期,即基值电流区,当增加送丝速度时,t0~t6变化不明显,而t6~t0将明显缩短,以提高过渡频率,增加焊接电流.理论上讲,当t6~t0=0时焊接电流增至最大,即熔化速度达最快.当t6~t0=0时再增加送丝速度,电流不再会增加,则熔化速度不会再提高,要想提高熔化速度必须提高燃弧能量,将燃弧电流拖尾时间增加后,电流范围得以扩展.
当焊接电流进一步增加,超过200A时,发现熔池振荡加剧,熔宽变宽,焊缝成型变得粗糙.当进一步增加送丝速度,则出现了顶丝现象,焊丝熔化不开,需继续增加基值电流,但基值电流增加后飞溅量明显增加.如图38所示是焊接电流220A时的电流电压波形.从图中可以看出,由于熔池振荡加剧,电弧空间变化剧烈,熔滴过渡的周期已发现不很稳定.
图38 焊接电流220A时的电流电压波形
QQ:53413829
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2008-12-18 16:07
高 好话题 顶
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wgegxxe
LV.4
3
2008-12-18 16:18
@耐奇绅士
高好话题顶
如能看到所说的图片,,,就更好啦
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wsme
LV.3
4
2008-12-19 13:17
@wgegxxe
如能看到所说的图片,,,就更好啦
我直接复制不过去!下一次重新上传图片
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307544991
LV.6
5
2008-12-19 15:34
@wsme
我直接复制不过去!下一次重新上传图片
只能搞成WORD才能看到,单复制是不行.
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fcyg
LV.6
6
2008-12-19 17:08
顶一下技术贴,好久没这样的帖子了
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wsme
LV.3
7
2008-12-22 16:45
@fcyg
顶一下技术贴,好久没这样的帖子了
有的是好东西,不知道怎么发上来
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zgxian
LV.2
8
2009-01-09 23:45
@wsme
有的是好东西,不知道怎么发上来
此段节选在"逆变焊机的原理与设计"一书中,是奥太在2003年研究的资料
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2009-01-10 15:13
不错是好东西,好好学习
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wsme
LV.3
10
2009-01-11 19:58
@zgxian
此段节选在"逆变焊机的原理与设计"一书中,是奥太在2003年研究的资料
不就是奥太的光先吗?
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2020-05-28 08:14
图片可以看得见吗
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