（机械电子工程专业论文）薄板铝合金vp+pmig焊接设备及电弧稳定性研究.pdf

摘要 摘要 v pp m i g 焊是一种交流脉冲熔化极焊接方法，是近几年才发展起来的一种 新型焊接方法，可用于铝合金、低碳钢以及不锈钢的焊接，其特点是可以通过调 整e n 极性占整个变极性脉冲电流周期的比例( 简称e n 比率) ，实现对焊接电 弧能量和焊缝熔深的控制，非常适合于焊接薄板，焊接效率明显高于 r i g 焊 根据薄板铝合金焊接工艺要求，设计了基于d s p 控制的v pp m i g 焊接电源 的输出电流波形、焊接设备的结构以及控制系统，并研制成功用于薄板铝合金焊 接的v pp m i g 焊设备，该设备焊接过程稳定、控制精度高、参数调节方便。焊 接电源主电路采用i g b t 二次逆变技术实现交极性焊接电流的输出，一次逆变实 现焊接电流的恒流控制，二次逆变通过控制焊接电流的频率实现电弧弧长的调 节。针对铝合金v pp m i g 焊接电流过零后存在电弧再引燃问题，采用单电源供 电方式，设计了一种全桥式高压脉冲稳弧电路，可实现小基值电流过零时的双向 稳弧，保证了焊接电流过零时电弧燃烧的稳定性。 采用d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为控制系统核心，充分利用d s p 运算速度快、 精度高、数据处理能力强、i o 口资源丰富等优势，用软件编程实现复杂焊接过 程的控制，减少了较多复杂的硬件控制电路，使焊接设备向柔性化控制方向发展。 人机交互系统采用单片机控制，通过r s - 4 8 5 总线与d s p 通讯实现数据的交换， 可对9 个焊接参数进行调整，并实时显示焊接电流和电弧电压。 设计了v pp m i g 焊周期计算方法和弧长调节控制方法。在弧长调节中，没 有采用传统的硬件压频转换电路，而是采用软件直接计算交极性脉冲电流周期的 方法，间接控制脉冲电流频率。试验表明：所设计的弧长调节控制方法，能根据 弧长的变化进行自动调整，使弧长保持在一个稳定的范围内，具有较强的适应能 力。 从宏观和微观两个方面对焊接电流过零时电弧稳定性进行了研究。 在小基值焊接电流过零时，稳弧脉冲电压对电流过零时电弧稳定性的影响比 基值电流的影响大，稳弧脉冲电压幅值只是电流过零时电弧稳定的一个必要条 件，此外还与电流过零时稳弧脉冲电压的上升时间有关。采用稳弧脉冲电压上升 率与稳弧电压幅值可作为判断电流过零时电弧可靠再引燃烧的依据。稳弧脉冲电 压上升率有一个过渡区间，会使电流过零时电弧处于不稳定状态，只有高于此过 渡区间一定值的稳弧脉冲电压上升率才能保证电流过零时电弧可靠再引燃。 通过光谱仪，分析了a l 金属谱线a 1 3 9 6 1 5 ( r i m ) 在稳定焊接电流和电流过 北京工业大学工学博l ：学位论文 零时电弧的谱线强度变化特点。焊接电流稳定时，e n 极性电弧的光谱强度要比 e p 极性电弧的高；在电弧稳定燃烧情况下，焊接电流过零时，电弧极性变换前 后，其空间的谱线强度变化不明显，没有出现大幅下落的现象，表明电流过零时 电弧空间保持较高的温度和稳定的能量，因而每次电流过零后电弧都能够可靠再 引燃，没有出现断弧现象。当稳弧电压上升率改变时，电流过零后电弧谱线的强 度将发生变化，随着稳弧电压的提高，电流过零后的电弧谱线强度也升高，如稳 弧电压上升率低于使电弧稳定燃烧的条件，则电流过零后电弧空间的外加能量不 能维持电弧的再引燃，将出现断弧现象。 分析了熔滴过渡时的受力情况，提出了熔滴过渡的理想过渡过程。通过高速 摄像分析了铝合金v pp m i g 焊一脉一滴控制方式中，熔滴自由过渡时产生飞溅 和无飞溅的原因，证明了所提出的理想的熔滴过渡过程是正确的。 通过高速摄像分析了铝合金v pp m i g 焊电弧形态的变化规律，在一个脉冲 电流周期中，不同焊接电流阶段的电弧形态有着明显区别。e n 极性电弧以焊丝 轴心为中心里旋转上爬状态，e n 极性时间越长则电弧旋转的次数越多，且电弧 上爬高度增加。 从不同角度分析了铝合金v pp m i g 焊电弧能量的分配问题，电弧空间的能 量分布是不均匀的，电弧阴极区的产热占主导地位。在送丝速度、焊接速度不变 的情况下，e n 比率变化影响焊缝熔深的原因是：1 ) 平均焊接电流发生变化；2 ) 电弧能量用于加热工件的能量比例发生变化。焊丝的熔化速度与e n 比率和e n 极性的基值电流有关，e n 比率或者e n 极性基值电流增加，都会加快焊丝的熔 化。 关键词；变极性；脉冲m i g 焊：电弧稳定性；电弧能量 a b s t r a c t v pp m i gi san o v e la c p u l s ew e l d i n gp r o c e s sw h i c hd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ，i tc a nu s e d t ow e l da l u m i n u m a l l o y , m i l ds t e e la n ds t a i n l e s ss t e e l t h ew e l d i n ga r e 锄e 瑁，a n dp e n e t r a t i o no f w e l dc a nb ec o n f 】r o l l e d 坶r e g u l a t et h er a t i oo f 删t i m et o 恤耐o do fv a r i e dp o l a r i t yp l l i s e c u n 眦v pp m i gi sp r o p i t i o u st ow e l dt h i np l a t ea n de f f i c i e n c yi sf a fg r e a t e rt h a nt i g w e l d i n g av pp m i g 峨w e l d i n gp o w e rs o u b i sd e v e l o p e db a s e do nd s p t h et o p o l o g ya n dt h e o u t p u tc r e n tw a v e f e r md e s i g n e dc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h i np l a t ew e l d i n g w a v e f o r mo f 喇p o l a r i t yc n r l 咖i sr e a l i z e db yu s i n gi g b t 笛s w i t c h e so fs e c o n d a r yi n v e r t e r , c o n s t a n t w e l d i n gc u n l 嘲ti sr e a l i z e db yf i r s ts i d ei n v e r t e r , r e g u l a t eo fa r cl e n g t hc a nb er e a l i z e db yc h a n g e t h e w e l d i n ge 1 u y e n tf r e q u e n c yo fs e c o n d a r yi n v e r t e r af u l lb r i d g eh i g hv o l t a g ep u l s e d 毗 s t a b i l i z i n gc i r c u i tw h i c hw a sp o w e r e db ys i n g l ep o w e rs o u r e ei sd e s i g n e dt oa v o i do f e x t i n g u i s h i n go f c r o s sz e r ow e l d i n ga r c t h i sc i r c u i tc a nm a i n t a i nt h es t a b l eo f a r cd i - d i r c c t i o n a l l y w h e ns m a l lb a c k g r o u n dc u r r e n tc r o s sz e r o , e n s u r et h es t a b l eb u r n i n go f w e l d i n ga r cw h e nw e l d i n g c u r r e n tc r o s sz c r o d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) i st h ec o n t r o lk e r n e lo fv pp m i gp o w e rs o u r t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i sa f a s ts p e e d ，h i g hp r e c i s i o nd s pw i t ha b u n d a n c eo fi op o r t s h a r d w a r ec i r c u i ti ss i m p l i f i e db y 吲n g s o f t w a r et oc o n t r o lc o m p l i c a t e dw e l d i n gp r o c e s s m e n - m a c h i n ei n t e r a c ts y s t e mi sc o n t r o l l e d b ym c u ，d 抛i s 咖蜘i 伽t od s pt h r o u g hr s - 4 8 5b u s n i n eo f t h ew e l d i n gp a r a m e t e r s 啪b e r e g u l a t e d , w e l d i n gv o l t a g ea n dc u r r e n tc a nd i s p l a y e di nr e a lt i m e c a l c u l a t em e t h o do fv pp m i gw e l d i n gp e r i o da n dt h ea r cl e n g t hc o n t r o lm e t h o dw e r e d e v e l o p e d t h ea 坞l e n g t hc o n t r o li sr e a l i z e db yc a l c u l a t et h ep e r i o do fv a r i e dp o l a r h yp u l s e d c u r r e n tp e r i o dd i r e c t l ya n dc o n t r o lo fp u l s e dc 嘲l | f r e q u e n c yi n d i r e c t l y b u tn o tu s i n g c o n v e n t i o n a lv o l t a g e f r e q u e n c yc o n v e r tc i r c u i t e x p e r i m e n tr e s u l tv e r i f i e dt h a tt h ea r el e n g t h c o n t r o lm e t l l o dw h i c hd e v e l o p e dc a nr e g u l a t et h ea r el e n g t ha u t o m a t i c a l l y r e s e a r c h e so nc r o s sz c r os t a b i l i t yo f w e l d i n ga r ef r o md i f f e r e n tv i s i o n s ：m i c r oa n dm a c r o w h e ns m a l lb a c k g r o u n dc m r e n tg r o s s 盈骶t h ei n f l u e n c eo fp u l s ev o l t a g ei sm o r et h a n b a c k g r o u n dc u t l to nt h es t a b i l i t yo fw e l d i n ga r ew h e nw e l d i n gc u r r e n tc “s sz e r o a m p l i t u d e a n dr i s i n g t i m eo f p u l s e v o l t a g ea r e t w oo f t h e n e c e s s a r yc o n d i t i o n o f 眦s t a b i l i t y w h e n w e l d i n g a r cp a s sz e r o t h ea ms t a b i l i t yc a l lb ee x a c t l ye s t i m a t e db yc a l c u l a t et h er i s i n gr a t ea n da m p l i t u d e o fp u l s ev o l t a g e t h e r ei sat r a n s i t i o n a lz o n eo fp u l s ev o l t a g er i s i n gr a t e a r cc mo n l yr e i g u i t a w h e nr i s i n gr a t eo f p u l s ev o l t a g eg r e a t e rt h a nt h ec r i t i c a lv a l u e 北京工业大学工学博士学位论文 ma ls p 咖a l 3 9 6 1 5 ( n m ) i sa n a l y z e db yu s i n gs p e c t r u ma n a l y z e r w h e nw e l d i n g c u r t ts t l i b l e , t h e $ p l 鲥：l t m li 舭姆o fe np o l a r i t yi si n o l t h a n 髓p o l a r i t y w h e nw e l d i n g 勰 s t a b l eb u r na n dw e l d i n gc u r r e n tc i o s sz e r o ，t h e r ei sn o to b v i o u sc h a n g eo fs p e e t r t n ni n t e n s i t y ， b e e a , s ew l h e l lc u r r e n tp a s sz e t h ew e l d i n ga 挥m a i n t a i nh i g ht m p e r a t u r ea n ds t a b l ee n e r g y , t h 眦b yt h ew e l d i n g 眦啪b u r n i n gs t a b l ew i t h o u te x t i n g u i s h w h e n 戤s t a b i l i z i n gv o l t a g er i s i i l g r a t ec h 卸g c d ，t h es p e c t l u l l l 3i n t a i t yo fw e l d i n ga w i l lc h a n g e dw i l t o nw e l d i n g 叫嬲nc r o s s e d z e l r o a f t e rw e l d i n gc u l t e n tc r o s sz e k l r o i f 口皓哪s t a b i l i z i n gv o l t a g er i s i n gr a t el o w e rt h a ns t a b l e v a l u e ，t h ee 硪c m a l 锄e 叼e o u l d n tm a i n t a i nw e l d i n ga r cs t a b l eb u r n i n ga n dt h e nc a u s e d e x t i n g u i s ho f w e l d i n ga 陀 t h ed r o p l e tt r a n s f e rf o r c e sa c t i n g0 1 1w e l dp o o la 他锄l y z c da n di d e a lt r a n s f o r m a t i o no f a r o p l e tt r a n s f e ri sa l s oa d v a n c 脚t h i si d e a ld r o p l e tt r a n s f e ro fv pp m i o 啪b ee o n f i m l e db y m i i l gh i 曲s p c e dc a n l e l at oi n t e r p r e t 雠c a 峨o fs p a t t e rw h e n 嘴 o n ep u l s e ，渊d r o p c o n t r o l m e t h o d 1 l l r o g hh i g i i $ p t lc a m c l at h ew e l d i n ga s h a p eo fv pp m i gw e l d i n gf o ra l u m i n u ma l l o y i s 缸圆y 谢，i nas i n g t ep u l s ep 口i o do fw e l d i n gc t t t r c r i t t h ew e | d i n ga s h a p eo fd i f f e r e n tp h a s e a 托d i f f e l m l t , e s t 雠i a n y i n e n p o l a r i t y t h e w e l d i n g a r es h a p e e f f e c t l n o l - e o l l h e , a t u p o f w i r e t h ea f ce n e r g yd i s t r i b u t i o no fv pp m i g 躺w e l d i n gi sa n a l y z e df r o md i f f e r e n t 笛p e c t s t h o w e l d i n ga 坤c l l e t l 酣w h i c hi sd o m i n a t e db yc a t h o d ei su n e v e n w h e ni n c r e a s et h ee nr a t i o 。 p e n e t r a t i o nc o u l dr e d u e e d , b e c a u s e * 1 ) a v e r a g ew e l d i n gc u r t 孵n td e c r e a s e ；2 ) e n e r g yu s e dt oh e a t u pw i r ei n c r e a s e ，b u tw h i c hu s e dt oh e a tu pw o r kp i e c ed e e r e , a s e t h em e l ts p e e do f w i r er e l a t e dt o e nr a t i oa n db a c k g r o u n dc u l n r c n to f e np o l a r i t y e i d e ro f t h e mi n e r e a s i n g t h em e l ts p e e do f w i r e c o u l db ef a s t e r i ( e y w o r d s ；v a r i e dp o l a r i t y ；p u l s e dm i ow e l d i n g ；ms t a b i l i t y ；w e l d i n ga r ce n e r g y - i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：鸯军 日期：2 型厶：f 兰：垫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：奎譬举一导师签名：谨丝日期：逝 第l 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 随着科学技术的发展，轻质铝合金材料以其优良的物理和化学特性，在 产品中应用越来越多。由于铝合金具有高的比强度、比模量、断裂韧性、疲 劳强度，具有良好的耐腐蚀性能以及在低温下能保持良好的机械性能，可以获 得重量轻而强度高的结构，与其它的轻质合金相比具有良好的成形工艺和良 好的焊接性，在航天航空工业、高速列车、地铁车辆、汽车、石油、化工、船 舶、海洋工程等领域得到了广泛的应用。 铝合金结构主要是采用通长、大型薄壁、中空挤压型材及板材等构成的焊接 结构形式，其中有很多薄板铝合金结构常采用电弧焊。由于铝合金具有良好的 导热性能，在焊接高温下具有较大的膨胀率，而冷却时却具有较大的收缩 率，在薄板焊接过程中容易出现焊穿、焊接变形大以及矫正困难等问题，同时 对装配间隙有严格的要求，因此，薄板铝合金采用电弧焊接有较大的难度。 目前，焊接薄板铝合金主要的电弧焊方法有：脉冲1 1 g 焊、脉冲m i g 焊、 交流脉冲m l g 焊等焊接方法。 脉冲t i g 焊可以焊接铝合金薄板，且焊接质量较高，但是其焊接速度比较 慢，因而焊接效率低。直流脉冲m i g 焊是一种高质量、高效率的焊接方法，在 实际焊接中一般采用焊丝接正的方法( d c e pp m i g ) 焊接。d c e pp m i g 焊的熔 深较大，可以减少焊缝熔合不良，电弧的稳定性好，但在焊接薄板时，非常容易 引起工件烧穿。焊丝接负时的直流m i g 焊称为d c e nm i g 焊，其特点是电弧 能量更多地用于焊丝的加热，因此，焊缝的熔深浅、焊丝的熔化速度较快 1 1 , 2 1 但这种方法的主要问题是电弧的稳定性差，焊缝成形不好，容易出现 焊缝熔会不良、凸焊道等焊接缺陷，由于d c e n m i g 在焊接时对工件没有 阴极雾化作用，不适合于焊接铝合金材料。 交流脉冲m i g 焊是近些年才出现的一种新的焊接工艺方法，其综合了d c e p 脉冲m i g 焊和d c e nm i g 焊的优点，能够有效控制电弧热输入量、焊缝熔深、 焊丝熔化速度，是一种适合于薄板铝合金焊接的新方法，尤其在薄板搭接时对装 配间隙值具有很强适应能力。但是，由于焊接设备、工艺参数匹配都很复杂，目 前世界上仅有少数几家公司掌握此项技术，对于这种方法的一些焊接工艺和机理 还未得到充分的研究。 研究薄板铝合金变极性脉冲m i g 焊接技术，更有效地控制焊接电流、电压 北京工业大学工学博士学位论文 输出和熔滴过渡过程，提高焊接过程的稳定性和焊接速度，对于提高焊接产品的 质量和焊接效率都具有重要的意义。 1 2 d c e n m i g 焊特点 文献【1 】对d c e nm i g 焊的电弧及工艺问题进行了研究。当焊接电流较小时， d c e nm i g 焊接电弧形态为分散形，如图1 1 所示，这时在熔滴下部的氧化膜己 被阴极破碎作用所消除，所以阴极斑点将寻找新的氧化膜。由于纯氩气保护时电 弧的电场强度较低，电弧很容易上爬，阴极斑点经常出现在固液相界面上 但是当氧化膜较厚时，有可能出现集中型电弧。 图i - id c e nm i g 焊小电流电弧形态及焊丝端的形状 f 嘻1 - 1a r ca n dw i r ee n ds h a p eo f d c e nm i gw e l d i n ga ss m a l lc u r r e n t 随着焊接电流增加，电弧的阴极斑点逐渐扩大。当电流增加达到一定值时， 电弧的阴极区将像d c e p 极性一样，将通过熔滴向上爬到缩颈处，如图l _ 2 。这 时随着电弧形态变化，焊丝端头的液体金属的受力状态也发生了变化。于是该熔 滴被迅速推离焊丝如图1 2 ( 5 ) 所示，使焊丝端头形成铅笔尖状，电弧呈现钟罩 形，这时的电流称为射滴过渡临界电流。该钟罩形电弧分为两层，中间的烁亮区 星束状电弧，以及包围着烁亮区的外层的钟罩形电弧，外层电弧的亮度略暗些， 所以称为暗弧。 ( 1 )( 2 )( 3 )( )( ，)( 6 ) 图l - 2d c e nm i g m a g 焊电弧上爬现象 f i s ! - 2a r cc r c c p su pp h e n o m e n o no f d c e nm i g m a gw e l d i n g - 2 晴医 烁亮区 第1 章绪论 由此可见，d c e n 极性时的m i g 电弧上爬的特点与d c e p 极性时不同。这 时电弧的扩展不是围绕着熔滴对称地向上爬，而是沿熔滴的四周或左或右地变动 着，并逐渐扩展上爬的区域。在m i g 焊中，由于阴极破碎氧化膜的速度大于产 生氧化膜的速度，所以在焊丝端头的氧化膜被阴极破碎后，阴极斑点不能在纯金 属表面保持，必须寻找逸出功较低的氧化膜处，这势必迫使阴极斑点上爬。因为 在纯a r 或富a r 气氛中，电弧电场强度较低，所以可以使电孤沿焊丝上爬很高。 当达到由于氧化膜作为阴极所消耗的能量不足以补偿弧长增加所消耗的能量时， 电弧的阴极斑点随即下落。这种电弧上下窜动，窜动高度常常可以达到1 0 1 5 r a m 左右，严重地破坏了电弧的稳定性。 d c e nm i g 焊电极上阴极斑点的大幅度上下串动，使电弧沿焊丝端上爬较 高，对焊丝加热较多。在稳定焊接状态下，d c e nm i g 焊的焊丝熔化速度大约 是d c e pm i g 焊的焊丝熔化速度的1 5 倍，因而熔滴体积比d c e pm i g 焊的熔 滴体积大，呈大滴过渡。由于d c e nm i g 焊的电弧呈束状、对工件的加热减少、 焊丝熔化速度快，使焊缝较窄、焊缝熔深浅、焊缝余高大。由于d c e nm i g 焊 接过程稳定性不好，焊接工程中一般不用这种焊接工艺。 1 3 脉冲m i g 焊熔滴过渡控制 直流脉冲m i g 焊是一种焊接质量、焊接效率都很高的方法，它与硼【g 焊相 比突出的优点表现为：焊接电流调节范围较宽，包括短路过渡到喷射过渡的所有 电流区域，既能焊接厚板，也能焊接薄板，焊接薄板时与短路过渡比较有熔透性 好、变形小、焊接效率高等特点；利用脉冲电流，在低于m i g 焊连续电流喷射 过渡的临界电流值的情况下，可实现射流过渡，因此母材的热输入量低、焊接变 形小，适用于全位置焊接；熔滴过渡过程可控性比较强因此，它在实际生产中 受到重视，特别是对焊接质量和精度要求比较高的场合更是如此，如机器人焊接。 在西方各主要工业国的焊接生产中，脉冲m i g 焊已经逐步取代手工焊和c 0 2 焊， 应用范围越来越广泛。 熔滴过渡对焊接质量、焊缝成形的影响很大，直接决定着焊缝表面波纹的均 匀性、焊缝的熔深以及焊缝的几何形状。熔化极气体保护焊由于存在焊丝熔化、 熔滴向熔池的过渡过程而影响到电弧燃烧的稳定性，熔池活动也较为复杂文献 3 - 2 8 对熔化极气体保护焊的电弧形态和熔滴过渡进行了详细的研究，除短路过 渡外，熔滴过渡分为大滴过渡、喷射过渡和旋转射流过渡，其中大滴与旋转射流 过渡二种形式是不稳定的过渡形式，通常不采用，喷射过渡包括射滴过渡和射流 过渡。图l 一3 是美国学者l e s n e w i c h 遥过试验得到m i g m a g 焊熔滴过渡形式， 北京工业大学工学博士学位论文 图! - 3m i g m a g 焊烙滴过渡形式 f i g 1 - 3t h ed r o p l e t 恤a m f e ro f m l g m a g 焊接电流小于2 6 0 a 为大滴过渡，每秒钟只过渡几滴，而焊接电流大于2 6 5 a 为 射流过渡，每秒钟过渡熔滴达几百滴，且沿焊丝轴向过渡。只有电流在2 6 0 2 6 5 a 之间5 a 的电流区间是射滴过渡，可见射滴过渡的电流区间非常小。 射流过渡是一种比较有规律的稳定的熔滴过渡方式，在焊接电流大时，作用 于焊丝端部液态金属的电磁收缩力有利于促进熔滴过渡，可使熔滴尺寸在比较小 的情况下就能脱离焊丝端部发生过渡，因此只能在较大的焊接电流条件下才会出 现，而且熔深较大，显然不适合于焊接薄板。 脉冲m i g 焊是通过脉冲能量控制熔滴过渡，其熔滴过渡采用稳定的熔滴过 渡形式一射滴过渡，在射滴过渡的三种形式中，一脉一滴过渡形式十分稳定，熔 滴尺寸接近焊丝直径，可以保证在小电流内实现稳定的焊接过程，是一种最佳的 射滴过渡形式，只要改变脉冲频率就可以改变熔滴过渡的滴数，也就是改变平均 电流和焊丝熔化速度，其特点是：适合焊接薄板、适宜于全位置焊，焊接铝合金 或不锈钢时产生的烟雾少，在焊缝附近仅有少量黑灰。因此，研究者们采取各种 方法对熔滴过渡过程进行控制，以便获得一脉一滴的熔滴过渡形式。 国内外学者对脉冲m i g 焊的研究，基本上从控制方法入手进行研究，其最 终目的是实现熔滴的稳定过渡、获得优质的焊缝质量，一般主要采用对焊接参数 进行控制的方法。 文献【3 ，4 1 介绍了s y n e r g i c 控制法，又称协同控制法，是英国焊接研究所发明 的一种脉冲m i g 焊电弧控制方法，是目前脉冲m i g 焊控制系统中应用最为广泛 的一种方法。它解决了众多脉冲参数调节不便的问题，实现了脉冲m i g 焊的单 旋钮控制。基本原理为：给定送丝速度，脉冲参数将自动适应送丝速度及其变化， 使焊丝熔化速度与送丝速度自动协调，从而保持弧长的稳定。其优点是随着送丝 速度的变化，脉冲频率( 或脉冲宽度) 发生相应的变化，但这种控制方法对于由 第1 章绪论 送丝速度以外因素引起的弧长扰动没有调节作用，因为它对弧长( 电弧电压) 的 扰动而言是开环控制。 弧压反馈闭环控制法的基本原理是利用弧长信号闭环反馈控制脉冲参数 通过检测到的弧长与给定值比较，把得到的差值处理后对脉冲参数进行调节，实 时改变焊丝的熔化速度，保持弧长稳定。文献【6 】中提出一种弧长闭环脉冲m i g 焊控制方法，该方法通过采样每一周期中脉冲的某个特定对应点的电弧电压作为 弧长信号闭环反馈，调整脉冲参数( 基值时间t b ) ，实现对脉冲m i g 焊的控制。 文献忉介绍了一种脉冲m i g 焊弧压控制法，通过检测电弧电压，利用单元脉冲 能量补偿法，可保证一个脉冲过渡一个熔滴，实现了几乎无飞溅的焊接过程。 综合控制法综合了s y n e r g i e 控制法和自适应闭环控制法的优点。电压和送丝 速度的反馈信号均用于控制脉冲频率，而峰值电流和峰值时间的单元能量恒定， 以期得到一脉一滴的熔滴过渡。该方法弧长控制性好，焊接质量高，只要保证峰 值电流i p 和峰值时间t p 满足一定的匹配关系，就能实现一脉一滴。文献【8 】中提 取送丝速度信号和脉冲峰值电压，研制自适应s y n e r g i e 控制系统，该控制系统不 但保持s y n c r g i c 控制系统的优点，而且对由非送丝速度引起的弧长干扰有较强的 自适应能力 门限控制法是清华大学提出的一种脉冲m i g 焊控制法，也称为q h a r c 电弧控制法【9 】，其电源外特性为“口”字形。该种控制方法是以调节脉冲频率而 克服弧长的扰动来调节焊丝的熔化速度，在脉冲峰值阶段可能未停留足够时间， 所以熔滴过渡不能确保一脉一滴的情况。 除采用电参数控制烙滴过渡外，还有许多其它方法控制熔滴过渡。如弧光辐 射通量检测法阻3 0 l 、激励熔滴振荡过渡熔滴控制法 3 1 1 、自适应模糊控制法【3 2 1 等。 1 4 焊接电弧光谱分析 焊接电弧中含有丰富的光谱信息。它是认识焊接物理过程的丰富源泉，是控 制焊接物理过程、实现焊接自动化的先行要素，是继电弧电信号之后新兴的信号 源 3 3 ，3 4 1 。由于焊接电弧温度高、振动大以及不均匀性，采用一般测试方法难以全 面反映其中的各个变化过程，只是间接地粗略确定熔滴过渡状态，难以得到精确 的控制。而利用电弧光谱信息进行测控能达到一般测控方法无法达到的测控效 果，有着很大的优越性。与其它的检测方法相比，光谱法的优点表现为信息丰富， 灵敏度高、选择性好、响应速度快、无介入性、抗干扰能力强以及时空分辨率高 等。 文献 3 5 - 4 1 1 对焊接电弧光谱信息进行了深入的研究，提出了光谱法控制脉冲 m i g 焊熔滴过渡的方法，建立了一套脉冲m i g 焊熔滴过渡的光谱检测与控制装 北京工业大学工学博士学位论文 置，以此对脉冲m i g 焊熔滴过渡进行控制，实现了对熔化极脉冲气体保护焊熔滴 过渡的精确控制，控制效果较好。图l - 4 为一脉滴光谱控制结果的电流波形。 光谱测控技术的缺点是系统较大，实际应用不方便。 时一_片鼻m 图l - 4 脉冲m i g 焊一脉滴过渡光谱波形 f i g 1 - 4s p e c t r u mw a v e f o r mo f p u l s e dm i gw e l d i n go f o n e ”l s e ，o l l ed r o p t r a n s f e r 文献【4 2 】对铝合金变极性1 1 g 焊的电流过零时的光谱强度进行了研究，采用 a f 谱线测试了电流过零时电弧中谱线强度与焊接电流的变化关系。图卜5 为焊 接电流过零时光谱强度与电流的变化曲线关系，电弧中的a - r 谱线强度随着电流 的增加而变强，但是在电流过零时，光谱强度并没有马上随电流变化，而是有一 个延迟时间存在。与工频交流1 1 g 焊相比，交极性t i g 焊电弧在极性转换时等 离子体温度高、带电粒子数量多、电弧温度变化不大。 喜3 量 氍 1 卫 2 l 丑 暨? ，砷一7 h 广。 a f 煺 t 么慧 1 o 脚玲o 脚0 脚 0 脚加 矗扯以 喜3 灯 就 鲁o d -：i： ， r 光谱 、 ：卫蝴毒氐一嘲好馓 1 2 、一 。! 、蛾 o 心o 嬲o 胂o 麟0 伽 1 缸以 0 w ) 变援性n g 坪e n 刊朗过零( b ) 变撮性n g 焊e p 垂啦n 过零 图i - 5 焊接电流与光谱强度波形 f i g 1 - 5 w e l d i n g c u n 期吐a n ds p e c t r a l i n t e n s i t y w a v e f o r m 目前，采用光谱信息研究的电弧对象，多数是直流或交流t i g 焊电弧、直 流熔化极气体保护焊电弧。而对铝合金变极性脉冲m i g 焊电弧现象进行光谱研 珊m m啪确增埽 ii|蔡t 拳氓 第1 覃绪论 自| 田i 究的尚未见报导 1 5 交流脉冲m i g 焊接工艺 交流电弧是公认的解决磁偏吹最简单、最有效的方法1 4 3 1 ，交流电弧多用于手 工电弧焊、t i g 等焊接方法中。与传统的交流焊接电弧不同的是，铝合金交流 m i g 焊的两个电极均是冷阴极材料，发射电子比较困难，受焊接电源技术的限 制，电源的动态响应速度慢，即使m 1 0 焊电弧加了引弧和稳弧装置也很难稳定， 因此人们一直回避交流m i g 焊而只采用直流m 【g 焊 1 5 1 交流脉冲m i g 焊概况 交流m i g 焊是2 0 世纪9 0 年代出现的一种新的焊接方法，近年来，随着电 力电子技术的发展，逆变技术在焊接电源中的应用不断成熟，出现了矩形波交流 焊接电源，焊接电源的电流过零时间缩短，电弧空间的温度瞬时下降少，电流过 零后电弧重新燃烧较容易，使交流m i g 的研究开发工作取得了较大的进步。目 前，研究的交流m i g 焊多为交流脉冲m i g 焊，即交流p m i g 焊。交流p m i g 焊 可以看作是d c e pp g 焊与d c e nm i g 焊组合而成，因而交流p m i g 也具有 二者的一些特点 o c e pp h i g d c 刚m i g 焊接过度状态 叁，a 溶池状态 妒挝 焊接熔化速度 和d c e pm i g 基本相同 d c e p m i g 的i 5 倍 阴极雾化有无 焊接薄板时的问月下塌、咬边、烧穿熔合不氮凸焊道 焊接薄板的方法 变极性p m l ( 净d c e pp m i o d c e nm l g 图l - 6d c e pp g 焊与d c e nm i g 焊的焊接现象 f 唔1 - 6w e l d i n gp h e n o m e n o no f d c e pp m i ga n dd c e nm i g 北京工业大学工学博士掌位论文 d c e pp m i g 焊与d c e nm i g 焊的焊接现象如图1 击所示1 4 4 1 。图中d c e pp m i g 的焊接现象是：可实现熔滴喷射过渡，焊缝熔深大，焊丝熔化速度与d c e p m i g 焊时基本相等，有良好的阴极雾化作用，但焊接薄板时容易出现熔池下榻、 咬边等焊接缺陷d c e nm i g 的焊接现象是：熔滴呈大滴过渡形式，无阴极雾 化作用，焊接薄板时容易出现融合不良、凸焊道等焊接缺陷，但是焊缝的熔深浅， 焊丝熔化速度大约是d c e pm 【g 焊的1 5 倍。 实际焊接过程中，电弧形态、熔池形状、熔滴过渡形式、焊丝熔化速度等因 素直接影响焊接质量。焊接薄板时，最容易出现熔池下塌、咬边等焊接缺陷。所 以在焊接薄板时，研究影响熔池形状的因素以及控制熔池形状，是关系到稳定焊 接质量非常重要的问题。综合d c e pp m l 0 和d c e nm i g 的各自的特点，在焊 丝为正时采用d c e pp m i g ，在焊丝为负时采用d c e nm l g ，组成交流p m i g 焊。 交流p m i g 焊的焊缝熔深比d c e pp m i g 焊的焊缝熔深浅，而焊丝熔化系数d c e p p m 【g 焊的焊丝熔化系数大，这种焊接工艺特性正好符合铝合金薄板的焊接要求， 是一种解决铝合金薄板焊接问题比较理想的电弧焊方法。 1 5 2 交流脉冲m i g 焊波形控制 交流脉冲m i g 焊的技术关键是采用什么样的电流输出模式，如何实现对焊 接电流的控制，从而有效地控制熔滴过渡、焊缝的熔深、焊缝的成形。文献 4 5 5 0 是国内较早研究交流m g 焊的，其采用的输出电流模式有4 种，如图1 7 所示。 其中前3 种波形无法建立焊接电弧，最后一种电流波形被称为“双凹形”电流波 形，在电弧极性变换时具有自稳弧功能。 厂 l _ 1 i i l j ( ”龟藏过零麝加i t a i 圈l - 7 交流脉冲m i g 焊的电流控制波形 f i g i - 7c u r r e n tc o n t r o lw a v e f o r mo f a c p m i gw e l d i n g 研究者利用高速摄像手段研究了交流脉冲m i g 焊电弧形态及熔滴过渡过 程，如图1 8 所示可以分为二个阶段来分析电弧的形态及熔滴过渡。 图l - s 交流脉冲m i g 焊电弧形态示意图 f i g 1 - 8s c h e m eo f a cp m i gw e l d i n ga s h a p e 当电流e n 极性变为e p 极性时，在e n 极性维弧阶段，电弧很弱，也较散， 在焊丝端部下部区域有一个小亮环包围着葫芦形的熔化金属，在固态金属焊丝上 基本无电弧亮点。随着正接脉冲电流的出现，电弧上爬，焊丝侧壁上也出现了烁 亮区，下部有个柱状烁亮区，时间越长，亮区变大，上爬增多，并能见到阴极斑 点漂摆，熔滴极少过渡。极性由e n 变为e p 后，电弧烁亮区迅速移到焊丝下顶 端，中心烁亮区由柱状变为锥状，并开始缩颈过渡第一滴金属，由于前面的热量 积累，这滴熔滴尺寸稍大，约为1 5 倍焊丝直径，时间比正常纯d c e p 焊接提前 l m s 左右。反接的脉冲电流，继续使熔滴喷射过渡。紧接着的维弧电流仅维持电 弧燃烧，强度很弱，再后又是脉冲电流，电弧再次变强。 当电流从e p 变成e n 极性时，在前一阶段电弧已变强，会有几个细小熔滴 过渡，焊丝端部基本上是固态，e n 极性电流出现后，电弧突然上爬，阴极斑点 在焊丝端头和焊丝侧面迅速游动，电弧整体呈柱状。如果脉冲参数控制不当造成 前一阶段遗留熔化金属较多，熔滴会长大过多，形成大颗粒过渡和飞溅，第一滴 熔化金属过渡完毕，会形成小颗粒过渡。e n 极性维弧电流仅维持电弧燃烧 该交流脉冲m i g 焊的特点是，采用了自稳弧措施，不用另外增加稳弧装置， 但是在脉冲电流期间变换极性，增加了开关管的负担；在e n 、e p 极性里都有两 个脉冲，易造成多个熔滴过渡，很难实现对熔滴过渡的精确控制。研究者采用这 种焊接方法成功解决了直流脉冲焊中的磁偏吹问题，并用于深坡口打底焊 文献 5 1 5 8 采用单片机8 0 c 1 9 6 k c 为控制核心，研制成功a cp m i g 焊机， 图1 - 9 是该焊接电源的输出电流模式，由于在小基值电流时实