低飛濺CO2氣保焊控制規(guī)律的研究
1 焊接電流波形與飛濺量及穩(wěn)定性之間的關(guān)系
低飛濺CO2氣保焊熔滴過渡的一個工作周期的焊接電流電壓波形如圖1所示,整個控制系統(tǒng)是分段電流閉環(huán)控制,電弧電壓用來進(jìn)行熔滴狀態(tài)判定以控制不同階段的給定的電流波形.
圖1 低飛濺CO2氣保焊的控制規(guī)律
1.1短路前期t0~t1
此階段主要產(chǎn)生短路早期飛濺,熔滴與熔池剛開始接觸,接觸的截面積較小,產(chǎn)生的電流應(yīng)力集中,產(chǎn)生飛濺.
短路前期焊接電流電壓波形,如圖2所示,由圖中分析可見,同普通CO2短路過渡特性相同,燃弧轉(zhuǎn)向短路時間很短.在短路最初的0.5~1μs內(nèi),電壓首先是一個階躍變化,而電流基本不變.在短路后約1個毫秒,焊接電壓是基本不變的.

圖 2  低飛濺CO2氣保焊燃弧至短路過渡波形130A
將焊接的電壓電流曲線進(jìn)行處理,得到短路后期5ms內(nèi)的液橋電阻變化曲線,如圖3所示.可見在圖3中的a~b階段電阻突然降低,對應(yīng)焊絲的剛發(fā)生短路;b~c階段對應(yīng)焊絲與熔池產(chǎn)生穩(wěn)定的短路液橋,電阻基本不變;c時刻電阻急劇上升,對應(yīng)發(fā)生了液橋縮頸狀態(tài);c~d階段由于將短路電流切除,液橋電阻不再增加而持續(xù)一段時間基本不變,再緩慢增加將液橋拉斷,此時液橋能量積累較低.
將圖1中的t0~t1的時間間隔在0.5ms至1.2ms之間進(jìn)行調(diào)節(jié),對焊接穩(wěn)定性的影響,在其它條件不變時,當(dāng)t0~t1在0.4~0.8ms范圍內(nèi)變化時,對飛濺量、穩(wěn)定性基本沒有影響,當(dāng)時間間隔大于0.8ms時穩(wěn)定性變差,大于1.2ms時發(fā)生熔滴過渡困難及焊絲的頂絲現(xiàn)象,時間間隔小于0.5ms細(xì)顆粒飛濺增加.

圖4、5、6分別表示t0~t1分別取0.4ms、0.7ms、1ms時的焊接電壓、電流波形.
圖4 t0 ~t1為0.4 ms時的焊接電壓電流波形
圖5  t0 ~t1為0.7 ms時的焊接電壓電流波形
圖6 t0 ~t1為1 ms時的焊接電壓電流波形
從圖4、5、6可見當(dāng)t0~t1在0.4~1ms時間內(nèi)調(diào)節(jié)時焊接電流、電壓的波形基本上沒有本質(zhì)的改變.

1.2 短路電流上升段:t1~t2
    由圖3得,此階段的電流控制規(guī)律為 .
在此階段中有兩個基本參數(shù),一個是初始電流 ,一個是電流上升率 .分別對應(yīng)傳統(tǒng)的CO2氣保焊過渡過程中的短路電流初始值和短路電流上升率,傳統(tǒng)CO2氣保焊只能采用調(diào)整焊接回路電感的方法來調(diào)整焊接過程的動態(tài)特性.將輸出電感調(diào)大,短路電流初值變大,但短路電流上升率降低,否則相反.而本文的控制方式,可獨立調(diào)節(jié)這兩個值的大小來優(yōu)化熔滴過渡過程.
改變 的值可明顯改變過渡的穩(wěn)定性,當(dāng) 較小時過渡時間變長, 較大時過渡時間變短,但 較大時對熔池沖擊較大,易產(chǎn)生大顆粒狀的飛濺.圖7、8分別表示 為150A,350A時,焊接電壓、電流波形.
圖7 I2在150A時焊接電壓電流波形
圖8 I2在350A時焊接電壓電流波形
改變電流上升率影響過渡的穩(wěn)定性及縮頸檢測的準(zhǔn)確性,當(dāng)電流上升率較大時,短路電流峰值也較大,液橋爆斷前的需要控制的能量較大,一旦失控產(chǎn)生飛濺較多.根據(jù)式 知,當(dāng)電流峰值太大時,會影響縮頸信號的判斷,焊接過程將無法連續(xù)工作.
圖9、10表示了電流上升率100A/ms和50A/ms的焊接電流、電壓波形,從圖中可見,電流上升率高,短路時間相對較短,過渡頻率較高.
圖9 電流上升率為100A/ms時焊接電壓電流波形
圖10 電流上升率為65A/ms時焊接電壓電流波形
1.3縮頸判定信號
由圖11知,在熔滴短路階段中,液橋電阻的明顯變化發(fā)生在液橋即將爆斷前的100~200μs,由式 知,焊接電壓的上升率可準(zhǔn)確反應(yīng)液橋電阻的變化率.本節(jié)探討一下在短路后期電壓曲線的什么位置進(jìn)行斬波處理可以得到較好過渡效果.圖12是普通CO2氣保焊短路區(qū)轉(zhuǎn)至燃弧區(qū)的電壓電流曲線的根部圖.在短路轉(zhuǎn)向燃弧過程中的曲線上,根據(jù)電壓上升率的不同值分別在曲線上取a,b,c,d四個點作為縮頸判定點.
圖11 短路轉(zhuǎn)入燃弧時的電壓電流曲線
圖12  CO2氣保焊短路轉(zhuǎn)至燃弧時的電壓電流曲線
選擇a作為縮頸判定點所得到的焊接電壓、電流波形如圖13所示.
圖13 縮頸判定點為a點時的焊接電壓電流波形
從圖13中可見,選擇a點作為縮為縮頸點判定,過渡時間很長,在表面張力下無法完全過渡.熔滴需重新施加短路電流脈沖才能完成過渡,說明此點液橋縮頸不完全.
選擇b點作為縮頸判定點,焊接電流電壓波形如圖14所示,則縮頸比較充分,熔滴過渡良好,飛濺較小,穩(wěn)定性很好.
圖14 縮頸判定點為b點時的焊接電壓電流波形
選擇c點作為縮頸判定點,則縮頸更加充分,熔滴過渡良好,穩(wěn)定性很好,但飛濺稍大.焊接電壓電流波形如圖15所示:
圖15 縮頸判定點為c點時的焊接電流電壓波形
從圖15曲線中可見,熔滴分?jǐn)鄷r焊接電流已經(jīng)降至很低,按理論講爆斷時電磁力很小,但實際上飛濺已開始增加,其原因是在圖12中的c點之前液橋的能量已經(jīng)積累起來了,液橋內(nèi)已經(jīng)接近氣化狀態(tài),在切斷焊接回路過程中,電流降低,但縮頸繼續(xù)進(jìn)行,能量繼續(xù)積累而發(fā)生爆斷,此時飛濺顆粒較小,由此可見要避免短路后期的飛濺,應(yīng)該在熔滴分?jǐn)鄷r刻提前一段時間將電流降低,留出一段時間來降低液橋能量,液橋再進(jìn)行分?jǐn)鄷r,飛濺將降至很低.
選擇d點作為縮頸判定信號,得到熔滴過渡的電流電壓波形如圖16所示.
圖16 選擇d點作為縮頸判定點時的焊接電壓電流波形
根據(jù)以上分析我們將短路階段的后期分為三個區(qū):非失穩(wěn)區(qū)、失穩(wěn)區(qū)、爆斷區(qū).a點即屬于非失穩(wěn)區(qū)域,在此區(qū)域內(nèi)若切除電流,被壓縮的液橋又會重新變粗,致使熔滴過渡困難.B點屬于失穩(wěn)區(qū),在失穩(wěn)區(qū)內(nèi)若切除短路電流,則液橋在表面張力作用下,可自動完成爆斷,液橋能量沒有積累起來,基本不產(chǎn)生飛濺.c,d點屬于爆斷區(qū),在爆斷區(qū)內(nèi),液橋能量已積累至氣化狀態(tài),切除短路電流后,液橋仍會發(fā)生氣化爆炸而產(chǎn)生飛濺,液橋分?jǐn)嗍怯梢簶騼?nèi)積累的能量爆炸造成的.
總之:當(dāng)縮頸判定點處于非失穩(wěn)區(qū)內(nèi),熔滴無法依靠表面張力進(jìn)行過渡,而發(fā)生頂絲現(xiàn)象.當(dāng)縮頸判定點處于失穩(wěn)區(qū)內(nèi),焊接電流切除后,熔滴仍可以正常過渡到熔池中,電流切除點越接近非失穩(wěn)區(qū),熔滴過渡時間越長.當(dāng)縮頸判定
點處于爆斷區(qū)內(nèi),液橋?qū)⒁蜉^大的積累能量而爆斷,產(chǎn)生飛濺.
圖17 液橋縮頸后期的電壓尖鋒
1.4 燃弧脈沖前的等待時間t3~t4
判定燃弧及短路的條件是焊接電壓是否大于13V,從短路轉(zhuǎn)向燃弧時,由于存在液橋由粗變細(xì)的過程,在液橋分?jǐn)嗲?液橋電阻已經(jīng)很大了,會超過短路電壓閥值判定點,僅以電壓大于13V來判定是燃弧或短路會造成判定不正確.如圖4.15所示,是短路后期的電流電壓波形,從圖中可見,在短路后期電壓波形存在一個很大的電壓尖峰,這個尖峰已超過13V,為了消除這種干擾,我們增加了去干擾環(huán)節(jié).當(dāng)檢測到焊接電壓大于13V后,施加一個延時時間段,若此時檢測的焊接電壓仍大于13V,則判定液橋分?jǐn)嗔?
燃弧前所等待的時間t3~t4的長短對焊縫成型有一定的影響,一般取0.2~0.3ms.若時間過長則過渡頻率較低,焊縫較高,若時間太短,則熔滴狀態(tài)判定不準(zhǔn)確,產(chǎn)生過渡不穩(wěn)定.圖18 表示出燃弧前延時時間2ms時電壓與焊接電流的關(guān)系.
圖18燃弧前等待時間為2ms時焊接電流與焊接電壓
從圖18中可見,在燃弧脈沖前等待時間內(nèi)電弧電壓約20V,即說明電弧是一直燃燒著.
1.5燃弧脈沖電流寬度與峰值
燃弧電流脈沖高度及寬度決定了熔滴的體積,也對弧長有一定影響.燃弧脈沖越寬,弧長越長,過渡頻率越低,熔滴體積越大.
圖19、20、21是燃弧脈沖為1ms、1.2ms、1.8ms時的焊接電流波形及對應(yīng)定時波形.
圖19 燃弧脈沖為1ms時的電流波形及定時波形
圖20 燃弧脈沖為1.2ms時的焊接電壓與電流波形
圖21 燃弧脈沖為1.8ms時的焊接電流及定時波形
從圖19-21可見,改變?nèi)蓟∶}沖時間對過渡波形沒有什么實質(zhì)性改變,對短路時間的長短有一定影響.燃弧時間在1.0ms時,短路時間為4ms,燃弧時間為1.2ms時,短路時間為2.5ms,燃弧時間為1.8ms時,短路時間為4ms,證實了熔滴大小對于熔滴的過渡時間有一定影響,熔滴尺寸在最佳值過渡時間較短.
燃弧電流的形狀對焊接過程有一定影響.
燃弧電流上升率較高,電弧沖力大,對熔池沖擊較大,易產(chǎn)生大顆粒飛濺,發(fā)出噪音較大.將燃弧電流波形的上升下降沿平滑處理后,電弧十分柔和,熔池平靜沒有噪聲,處理后的焊接電壓電流波形如圖22所示.
圖22  燃弧電流平滑后的焊接電壓電流波形
    從圖22可見燃弧電流波形經(jīng)過平滑化,由方波變?yōu)榻普野氩?電流波形的下降沿對應(yīng)的焊接電壓波形發(fā)生下凹,緊接著產(chǎn)生一個電壓振蕩,說明此時電弧空間發(fā)生振蕩,其振蕩應(yīng)該是由燃弧脈沖電流所激發(fā),主要由熔池振蕩振蕩造成的.
1.6電流基值t6~t7段
基值電流,保證焊接穩(wěn)定性及連續(xù)性,基值電流的較大,熔滴體積較大及電弧電壓較高,給工件輸入的熱量增加,基值電流階段焊絲熔化速度一定要小于送給速度,否則系統(tǒng)不穩(wěn)定.
  圖23基值電流為10A時的焊接電壓電流波形
圖24基值電流為100A時的焊接電壓電流波形
從圖中可見,基值電流較大時,過渡頻率變低,基值電流較小時,過渡頻率較高易出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象.
2焊絲直徑與熔滴過渡之間的關(guān)系
分別選取直徑Φ1.0,1.2,1.6焊絲(H08Mn2SiA),100%CO2氣體進(jìn)行試驗,送絲速度為3m/min,得到如圖25、26、27的焊接電壓電流波形.
圖25  φ1.0焊絲的焊接電壓電流波形
圖26 φ1.2焊絲的焊接電壓電流波形
圖27  φ1.6焊絲的焊接電壓電流波形
    由圖比較可得:隨著焊絲直徑的增加,燃弧電流峰值、寬度都相應(yīng)增加,短路電流峰值也增加,過渡頻率相應(yīng)降低.
在圖27中,φ1.6焊絲的短路電流波形已出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,說明電流受到了焊機(jī)最大輸出電流的限制.
3 輸出回路電感對焊接穩(wěn)定性的影響
輸出回路電感值的大小直接影響到焊接穩(wěn)定性及飛濺量的大小.輸出回路電感較小時,系統(tǒng)的動態(tài)特性好,但易于斷弧;輸出回路電感較大時,電弧柔和、沖擊力小,但焊接穩(wěn)定性及適應(yīng)性差,細(xì)顆粒飛濺大.
圖28 輸出電感5μH時焊接電壓電流波形
從圖28可見,輸出回路電感較小時,電流電壓波形變化速度快,跟隨性好,但在燃弧中易發(fā)生斷弧,造成下一次過渡困難,這是因為當(dāng)輸出電弧空間隨機(jī)變化時,電感中存儲的能量不足以維持電弧穩(wěn)定燃燒,易產(chǎn)生斷弧.
圖29 輸出電感50μH時焊接電壓電流波形
從圖29可見,輸出電感較大時,焊接電流變化平穩(wěn).燃弧電流上升、下降都較平滑,對熔池的沖擊力小,電弧平穩(wěn)、柔和,由于縮頸控制能量較大,因而有細(xì)顆粒飛濺.
當(dāng)電感增加較大時,會影響到阻礙短路電流的上升、下降率,引起熔滴縮頸不完全,影響到焊接穩(wěn)定性.
4.4干伸長對熔滴過渡過程的影響
在焊接過程中,干伸長引起的電阻熱會影響焊接過程已經(jīng)在許多文獻(xiàn)中論述過.在普通CO2氣保焊中,當(dāng)干伸長變短,其它條件不變時:短路電流及燃弧電流都相應(yīng)增加,焊接電流增大,過渡頻率提高;當(dāng)干伸長變長時,情形相反.
低飛濺CO2氣保焊主要依靠表面張力過渡的,電源外特性是分?jǐn)嗪懔髟?干伸長變化時,用于形成每個熔滴的燃弧電流值是基本不變的.圖30、31是不同干伸長的電流電壓波形,采用Φ1.2焊絲(H08Mn2SiA),送絲速度3.865米/分.
圖30 干伸長10mm時的焊接電壓電流波形
圖32 干伸長20mm時的焊接電壓電流波形
圖33干伸長25mm時的焊接電壓電流波形
圖34 干伸長30mm時的焊接電壓電流波形
在圖30到圖34中,干伸長從10mm增加至30mm,隨著干伸長的不斷增加,熔滴的過渡頻率降低.一個熔滴的短路及燃弧時間基本沒有改變,基值電流持續(xù)時間逐漸變長.兩個熔滴之間的過渡時間變長的原因是,由于電阻熱的原因,干伸長較長時,形成熔滴較大,每次過渡金屬量多,在送絲速度不變時,過渡頻率變低.同樣干伸長較短時,熔滴直徑較小,每次過渡的金屬量變小,為保證同樣的熔化速度,過渡頻率將增加.但當(dāng)干伸長過于短時,使形成電弧的空間變短,引起短路過渡困難,以致發(fā)生頂絲現(xiàn)象,反之,當(dāng)干伸長大于30mm時焊接穩(wěn)定性變差.
由以上分析可見,干伸長的電阻熱會引起熔滴過渡過程的變化,干伸長越長,熔滴過渡頻率越低,通過合理調(diào)節(jié)干伸長可以對焊接穩(wěn)定性及焊縫的成型進(jìn)行調(diào)節(jié).
5 液橋爆斷后電弧重新引弧性能的分析
5.1引燃弧電流值的研究
在液橋分?jǐn)嗪?電弧應(yīng)該重新引燃,為研究引弧性能,進(jìn)行如下實驗:
利用IGBT逆變器控制模式,在液橋完成縮頸后,使電流快速下降至約為零,完成液橋爆斷,關(guān)閉IGBT逆變器,引弧電流由另外恒流源提供,工作原理如圖35所示:

圖35 引弧電流試驗原理框圖
圖中焊接電流由兩個電源提供,一個是逆變器輸出的焊接主電源,一個是可調(diào)的恒流源,最高電壓為70V,電流從2A開始起調(diào),發(fā)現(xiàn)當(dāng)恒流源電流大于5A時,焊接過程十分連續(xù)穩(wěn)定.當(dāng)焊接電流小于5A時,引弧困難,保證電流5A不變,降低恒流源的空載電壓,當(dāng)空載電壓降至30V時,會出現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象,焊縫余高,表面不光滑,如圖36所示,該圖為引弧電流5A時的焊接電壓電流波形圖,從圖中可見,沒有斷弧發(fā)生.
圖36 引弧電流為5A時焊接電壓電流波形
5.2斷弧現(xiàn)象分析
傳統(tǒng)的CO2焊機(jī)進(jìn)行CO2焊接過程中,從短路至燃弧的階段發(fā)生轉(zhuǎn)移時,電弧重新引燃失敗的幾率很小,因為電弧的引燃電流是液橋分?jǐn)鄷r的電流,液橋分?jǐn)鄷r電流很大,即重新燃弧電流較大,燃弧失敗率很低.但利用表面張力過渡時,液橋是在小電流情況下分?jǐn)嗟?因而電弧重新引弧時的穩(wěn)定性比普通的CO2短路過渡差.為了提高焊接電流的動態(tài)特性,低飛濺氣保焊機(jī)的輸出電感都很小,在燃弧階段也會由于電弧空間波動而造成燃弧期間斷弧.
發(fā)生斷弧時,對表面張力過渡的穩(wěn)定性影響很大,如果斷弧發(fā)生在燃弧階段早期,由于焊絲頂端基本沒有形成熔化的金屬,沒有形成表面張力過渡的條件,使熔滴過渡無法繼續(xù).如果斷弧發(fā)生在燃弧中期或后期,此時熔滴基本形成,對焊接的穩(wěn)定性影響較小,但會形成弧長高度變化.
實際電路中在判定電弧斷弧后,則強(qiáng)迫使電路執(zhí)行特殊過渡形式,在短路后期將不再將焊接電流降低,而是使燃弧前期電流與短路后期電流相等,將電弧引燃,下一個過渡周期再進(jìn)行執(zhí)行張力過渡的程序.
6 焊接電流的范圍擴(kuò)展的討論
在 1.2焊絲,100%CO2氣體保護(hù)下,電流在60~160A范圍內(nèi)已經(jīng)基本實現(xiàn)無飛濺焊接,當(dāng)電流超過180A,焊接過程很不穩(wěn)定.由于大規(guī)范的氣保焊的應(yīng)用更廣泛,因而擴(kuò)展低飛濺的焊接電流范圍有重要意義.
從宏觀上講,低飛濺氣體保護(hù)焊工作原理是調(diào)頻工作,兩個組合脈沖來完成一個熔滴的過渡周期,一個組合脈沖來完成熔滴的生長,一個組合脈沖來完成熔滴的過渡,組合脈沖之間由基值電流階段相連,焊接電流的大小或焊絲熔化速度,是由組合脈沖的過渡頻率決定的.焊接電流越大基值電流階段越短,當(dāng)焊接電流達(dá)到最大值時,即過渡頻率增至最大,基值電流階段的持續(xù)時間為零,焊接電流為最大時焊接電流電壓波形如圖37所示:

圖37 最大焊接電流波形圖
圖中t0~t6是熔滴過渡值,t6~t0是等待區(qū)期,即基值電流區(qū),當(dāng)增加送絲速度時,t0~t6變化不明顯,而t6~t0將明顯縮短,以提高過渡頻率,增加焊接電流.理論上講,當(dāng)t6~t0＝0時焊接電流增至最大,即熔化速度達(dá)最快.當(dāng)t6~t0＝0時再增加送絲速度,電流不再會增加,則熔化速度不會再提高,要想提高熔化速度必須提高燃弧能量,將燃弧電流拖尾時間增加后,電流范圍得以擴(kuò)展.
當(dāng)焊接電流進(jìn)一步增加,超過200A時,發(fā)現(xiàn)熔池振蕩加劇,熔寬變寬,焊縫成型變得粗糙.當(dāng)進(jìn)一步增加送絲速度,則出現(xiàn)了頂絲現(xiàn)象,焊絲熔化不開,需繼續(xù)增加基值電流,但基值電流增加后飛濺量明顯增加.如圖38所示是焊接電流220A時的電流電壓波形.從圖中可以看出,由于熔池振蕩加劇,電弧空間變化劇烈,熔滴過渡的周期已發(fā)現(xiàn)不很穩(wěn)定.
圖38 焊接電流220A時的電流電壓波形
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