（机械电子工程专业论文）全数字交流短路过渡焊接系统及低热输入研究.pdf

摘耍 摘要 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能的制造技术。随着近年经 济的迅速发展，全球制造业的竞争越来越激烈，汽车、集装箱等生产企业大量采 用薄板和超薄板以降低成本，因此对焊接过程提出了低热输入的要求。为了迎合 这种趋势，交流短路过渡这种低成本、低热输入的焊接方法被提出并受到关注。 然而，目前该方法还处在发展初期，国外可参考的资料很少，而国内对此研究目 前还尚处于空白阶段。因此，对交流短路过渡方法的控制以及能量分配原理进行 深入研究，提出理想控制方案，并成功研制出焊接系统平台，成为当前焊接技术 发展的一个重要课题。 为了满足交流短路过渡焊接方法的工艺要求，设计了基于d s p 和c p l d 的 交流短路过渡焊接电源系统，并成功研制出用于薄板焊接的交流短路过渡焊接电 源系统平台。整个系统由主电路部分、控制电路部分以及送丝系统组成。其中主 电路部分采用二次逆变结构，并且为了实现焊接过程中的电弧再引燃，增加了全 桥高压稳弧电路。控制系统主要由d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 和c p l d ( e p m 7 1 9 2 s ) 联合控制实现，其中d s p 承担着整个系统所有时序控制和主要控制计算功能， 是整个系统的核心，而c p l d 则承担着d s p 绝大部分与外部进行联系的信号的 传递和分配，并实现电平兼容。同时，c p l d 还有另外一个重要的功能，即将 d s p 计算输出的p w m 数值，通过运算转变为相应脉冲宽度的数字p w m 信号进 行输出，实现p w m 控制的数字化。 由于薄板焊接过程对能量输入非常敏感，送丝系统的稳定与否将极大地影响 着整个系统的精度及过程稳定，因此，如何提高送丝系统的精度和动态性能是焊 接中不可回避的一个重要问题。本文通过采用d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 0 8 ) 和光电码 盘，直接采集送丝电机的转速来实现送丝速度反馈控制，使控制目标更加合理。 为了进一步提高送丝的整体性能，系统采用模糊数字p i 算法进行设计。试验结 果表明，送丝系统的静态和动态性能均高于一般电枢电压反馈控制，能够完美地 实现送丝稳定性。 交流短路过渡焊接方法作为一种新型低热输入焊接方法，由于其提出的时间 较短，人们对此种方法的认识还并不深入，此方法在我国尚属空白。本论文从电 弧物理的角度出发，分别对焊接过程中不同阶段焊丝和工件的加热情况进行分 析、计算，并得出影响交流短路过渡焊接过程热输入的各种参数。根据此理论研 究，并结合实际的焊接波形分析，确定并提出了本周期交流短路过渡焊接方法， 使焊接过程的能量调节在一个短路燃弧周期之内完成，在保证焊接过程稳定的同 时，实现了低热输入控制。 北京工业大学t 学博 ：学位论文 为了适应交流短路过渡焊接方法，焊接过程采用了全新的波形控制方案。在 短路阶段采用多曲率波形控制，完美实现焊接电流上升曲率的控制，降低焊接过 程的飞溅；燃弧时期的e n 阶段采用恒流控制，保证了电流稳定；在燃弧的e p 阶段，采用多阶梯电压控制，通过电弧的自调节作用实现焊接弧长控制。 论文针对所提出的本周期交流短路过渡焊接方法，采用双闭环控制原理，并 配合变参数数字p i 算法，成功实现焊接过程不同焊接状态的稳定、快速控制。 通过合理设计相关程序，保证焊接极性转变过程中的时序要求，以及实现焊接过 程中的引弧、焊接过程控制、断弧处理以及高压稳弧等相关过程的处理功能。 由于所采用的本周期交流短路过渡焊接方法在一个周期中存在两次电流过 零的时刻，因此如何保证过零时刻电弧的再引燃是实现焊接过程能够稳定进行的 关键所在。本文通过施加高压稳弧脉冲的方法成功解决了再引燃的问题。并且， 为了更好地了解所施加高压稳弧脉冲对过零电流再引燃情况的影响，通过改变稳 弧电压的幅值、脉冲宽度、施加时刻、过零前电流大小等条件进行了相关研究， 得出了电弧过零稳定的规律，并确定最终高压稳弧方案。 为了对论文所提出的理论和公式进行验证，本文进行了大量的试验研究。试 验结果证明本周期交流短路焊接方法是一种低热输入的焊接方法。同时论文还针 对该方法焊接过程中各种参数大小对能量分配的实际影响作用进行相关试验研 究，并得出相应了的规律。通过实际焊接过程中所测得的电流、电压波形、数值、 焊缝成形、高速摄像等不同角度，对其进行论证，进一步证实了理论分析结果。 关键词c 0 2 焊接；短路过渡；交流；低热输入；薄板 a bs t r a c t a b s t r a c t w e l d i n g i sas e tf u n c t i o nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ya n dm a k e st h em a t e r i a l sf o r p e r m a n e n tc o n n e c t i o n w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，t h eg l o b a l c o m p e t i t i v e n e s so fm a n u f a c t u r i n gi sg r o w i n gu p ，e s p e c i a l l yi na u t o m o t i v e ，c o n t a i n e r a n de t c ，m o r ea n dm o r es h e e tt h i np l a t ea r eu s e d ，s ol o w e n e r g yr e q u i r e m e n ti sp u tu p f o rt h ew e l d i n go ft h i np l a t e s i no r d e rt oa d a p tt ot h i sr i s i n gd e m a n d ，t h es h o r t - c i r c u i t a r cw e l d i n ga sl o w c o s ta n dl o w e n e r g yg o ta t t e n t i o n , a n dc a nb et r i e dt om a k em o r e r e a s o n a b l e h o w e v e r ，t h i sm e t h o di s s t i l li ne a r l ys t a g eo fd e v e l o p m e n t ，i th a sf e w i n f o r m a t i o nc a nb ef o u n da th o m ea n da b r o a d t h e r e f o r e ，i ti sh a r da n di m p o r t a n tt o s t u d yt h ep r i n c i p l eo fc o n t r o la cs h o r t - c i r c u i tt r a n s f e ra n de n e r g yd i s t r i b u t i o n ，t o b r i n gu pa l li d e a lc o n t r o ls c h e m ea n db u i l du paw e l d i n gs y s t e m i no r d e rt om e e tt h ep r o c e s sr e q u i r e m e n to fa cs h o r t c i r c u i ta r cw e l d i n g ，t h e s y s t e mf o rw e l d i n gt h i np l a t e sb a s e d o nd s pa n dc p l dw a sd e s i g n e da n d i n v e s t i g a t e d t h ee n t i r ew e l d i n gs y s t e mi n c l u d e dm a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dw i r e f e e ds y s t e m t h em a i nc i r c u i tw a su s e do ft w oi n v e r t e r sa n dh i g h v o l t a g ef u l l - b r i d g e a r cs t a b i l i t yc i r c u i tt or e i g n i t i n gt h ea r c t h ec o n t r o lc i r c u i tw a st oa c h i e v eb yd s p ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) a n dc p l d ( e p m 7 19 2 s ) ，a l ls e q u e n t i a lc o n t r o la n dm a n yc o r e c o m p u t i n g i nt h es y s t e mw e r ec o n t r o l l e db yd s p ，w h i l ec p l dw a st ot r a n s m i ta n d d i s t r i b u t et h es i g n a l sf r o mt h ed s pt oe x t e r n a lp a r t s ，a sw e l la si m p l e m e n tl e v e l c o m p a t i b i l i t y a tt h es a m et i m e ，c p l dh a da n o t h e ri m p o r t a n tf u n c t i o n ，w h i c hi st o t r a n s f o r mt h ep r o c e s s e dd a t af r o mt h ed s pt od i g i t a lp w m o u t p u ts i g n a l s e n e r g yi n p u ti sav e r ys e n s i t i v ef a c t o r , a n dt h es t a b i l i t yo fw i r ef e e ds y s t e mi sa g r e a ti m p a c to nt h ea c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo f t h ee n t i r es y s t e m ，t h e r e f o r e ，i tc a nn o tb e a v o i d e dt oh o wt oi m p r o v et h ea c c u r a c ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw i r ef e e d i n g s y s t e m i nt h i st h e s i s ，t h ec l o s e d l o o pc o n t r o lo f t h ew i r ef e e d i n gs y s t e mw a sa c h i e v e d t h r o u g hd s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) a n de l e c t r o - o p t i c a le n c o d e rt oa c q u i r et h ee l e c t r i c a l w i r ef e e ds p e e dd i r e c t l y i no r d e rt oi m p r o v et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，t h e f u z z yp ia l g o r i t h mw a sa p p l i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti th a dap e r f e c tw i r ef e e d i n g s t a b i l i t y ，f u r t h e r m o r e ，t h es t a t i ca n dd y l l a m i cp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw e r eb e t t e r t h a no r d i n a r yo n e i ti st o oh a r dt ob r i n gu pab e s tp r o j e c ta b o u tt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no nt h e s h o r t c i r c u i ta r cw e l d i n g ，b e c a u s et h ew e l d i n gm e t h o di sn e w i nt h i st h e s i s ，av 撕e t y o ff a c t o r si m p a c t i n gh e a ti n p u tw e r ea n a l y z e dd u r i n gd i f f e r e n ts t a g e so ft h ew e l d i n g 一一一 一塞型坚兰至塑箜鲨圣皇置一 p r o c e s s a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a ls t u d ya n dc o m b i n i n gt o t h ea n a l y s i so fa c t u a l w e l d i n gw a v e f o r m ，a n e wa n df l e x i b l ea cs h o r t - c i r c u i ta r cw e l d i n gw a sb r o u g h tu p i t c a nc o m p l e t et h ee n e r g yr e g u l a t i o ni no n es h o r t c i r c u i ta r c i n gc y c l e ，m a k es u r et h e s t a b i l i t yo ft h ew e l d i n gp r o c e s sa n d i n c r e a s et h ef l e x i b i l i t yo fe n e r g yr e g u l a t i o na tt h e m e a n t i m e an e ww a v e f o r mc o n t r o lp r o j e c tw a sp r o p o s e dt o b e t t e rt r a n s f e rd i f f e r e n t w e l d i n gp r o c e s si nt h ea cs h o r t c i r c u i t sa r cw e l d i n g a tt h e s h o r tc i r c u i ts t a g e ， m u l t i c 1 】r v a l 腑w a v e f o r mc o n t r o lw a st oc o n t r o lt h ea s c e n d i n gc u r v a t u r eo fw e l d i n g c u r r e n tt or e d u c es p a t t e r ；a te ns t a g e ，c o n s t a n tc u r r e n tc o n t r o lw a s t om a k es u r et h e c u r r e n ts t a b i l i t y ；a te ps t a g e , m u l t i - s t e pv o l t a g ec o n t r o lw a s t oi m p l e m e n tw e l d i n ga r c l e n g t hc o n t r o lt h r o u g hs e l f - r e g u l a t i o no f a r c b a s e do nd u a ld o s e d 1 0 0 pc o n t r o la n dv a r y i n gp a r a m e t e r sp ia l g o r i t h m ，an e w a cs h o r t c i r c u i ta r cw e l d i n gm e t h o dw a sb r o u g h tu pt o a c h i e v es t a b l ea n dr a p i d c o n t r 0 1s u c c e s s f u l l yd u r i n gd i f f e r e n ts t a t u so fw e l d i n gp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，r a t i o n a l p r o c e d u r e sw e r ed e s i g n e dt om a k es u r et h er e q u i r e m e n to f t i m es e q u e n c ea tp o l a r i t y t r a n s f e r r i n g , a n dc o m p l e t et h ec o n t r o l o fg e n e r a t i n gt h ea r c ，a r ci n t e r r u p t i o n ， l l i g h v o l t a g ea r cs t a b i l i t ya n d o t h e rr e l a t e df u n c t i o n s n e r ee x i t st w oc u r r e n tz e r od u r i n go n ec y c l ei na cs h o r t c i r c u i ta r cw e l d i n g ，s o i ti sak e vt om a k es u r ea r cr e i g n i t i o na n ds t a b i l i t ya tw e l d i n gp r o c e s s i nt h et h e s i s ， h i g h v o l t a g ep u l s ew a st or e i g n i t ea r cs u c c e s s f u l l y i na d d i t i o n ，i no r d e r t ob e t t e r u n d e r s t a n dt h ei m p a c to na r cr e i g n i t i o n , t h ev o l t a g ea m p l i t u d e ，p u l s ew i d t h ，t h e i m p o s i t i o no ft i m ea n dt h ec u r r e n tb e f o r ez e r o p o i n tw e r ei n v e s t i g a t e d t od e t e r m i n e t h eb e s tp r o g r a m m a n ye x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tf o rs t u d yt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ew e l d i n g p a r a m 曲e r sa n de n e r g yd i s t r i b u t i o ni nt h ea cs h o r t - c i r c u i ta r cw e l d i n g t h er e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sw e r ec o n f i r m e dt h r o u g hm e a s u r e m e n to fw e l d i n gc u r r e n ta n d v o l t a g e ，t h ew e l d i n gs h a p e ，h i g h s p e e dc a m e r ap i c t u r e sa n d c t c k e y w o r d s c 0 2w e l d i n g ，s h o r t - c i r c u i t ，a c ，l o wh e a ti n p u t ，t h i np l a t e 1v 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。 虢燃吼掣 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：巡导师签名：锺篷丛日期：旦生丝 第l 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎 所有的产品，从几十万吨的巨轮到不足l 克的微电子元件，在生产中都不同程度 地依赖焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、 可靠性、寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度【l j 。 近年来，伴随着经济一体化的逐渐深入，制造业的竞争也愈演愈烈。焊接技 术，作为一种重要的加工手段，已经成为诸如汽车、集装箱、造船等许多领域中 企业提高核心竞争力的最重要因素，特别是其作为组装工艺之一，通常被安排在 制造流程的后期或最终阶段，因而对产品的质量具有决定性作用。正因如此，在 许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。在工业化最发达的美国，焊接被 视为“美国制造业的命脉，是美国未来竞争力的关键所在”【2 5 j 。 长期以来，“更高、更远、更快一直是表示现代焊接技术挑战的代名词， 除此之外，现在更加核心的概念已经变成了“更容易”。这在汽车制造业中能得 到更好的体现，通过减少车身重量可以使汽车在加速、行驶和刹车的时候减少油 料损耗，同时也能节省资源，降低成本和保护环境。这种轻薄化的要求已经通过 在汽车制造中采用更薄钢板的应用实现了。然而这些更薄钢板的焊接，要求焊接 过程必须具有低热输入和高热稳定性的特点，而传统焊接方法难以满足这种要 求，因此找到一种既经济又高效的焊接方法成为当前焊接发展所面临的一个重要 课题。 由于短路过渡方法的焊接过程为短路一燃弧两种状态交替出现，燃弧阶段电 弧热直接加热焊丝与母材，而短路阶段只在焊丝伸出部分( 干伸长) 产生电阻热 【6 j 。可见，在短路过渡焊时，对母材及焊丝的加热过程都有周期性的特点。这就 造成工件在燃弧阶段时加热熔化，而在短路阶段时熔池凝固，得到较小的熔深， 因而有利于薄板焊接。所以，短路过渡方法作为一种低热输入和低成本的焊接方 法自然成为人们考虑的首选。但是对于1 0 m m 及以下薄板的焊接，传统的直流 反接( e p 极性接法) ，由于母材为阴极，因而造成焊接过程对母材的热输入相 对较高，不能满足薄板焊接的要求。若单纯地采用直流正接( e n 极性接法) ， 却由于焊接过程中熔滴受到较大的排斥力而使焊接过程极其不稳定。因此，如果 根据焊接过程中电极为e n 或e p 时热作用的不同，开发出一种适合薄板焊接要 求的新方法及相应的设备则具有非常显著的经济意义。 在焊接设备方面，随着焊接设备的功能复杂化和实时性要求的提高，仅仅依 北京1 = 业大学t 学博十学位论文 靠模拟电路实现这种焊接过程控制显然已不能满足要求。而随着数字化器件和技 术的发展，其快速计算能力和灵活的控制方式以及其它众多的优点，使焊接设备 的数字化成为一个必然的发展方向。然而，当今国内很多数字化焊接设备由于种 种原因，总是在某个环节上采用了模拟技术，从而大大降低了数字化的性能。因 此，如何建立一台全数字化焊接设备，特别是本研究所用的交流短路过渡焊接设 备也是实现完美焊接工艺性能的一个重要条件。 1 2 低热输入短路过渡焊接方法及发展 1 2 1短路过渡焊接方法发展背景及特征 气体保护电弧焊( g m a w ) 早在1 8 8 3 年由俄国工程师别纳尔多斯在气流 中焊接一书中就提了出来。在2 0 世纪3 0 年代，美国学者首先发明了惰性气体 保护焊。这种方法用于焊接轻金属取得了很好的效果，但用于焊接黑色金属却得 不到良好的效果。直到5 0 年代初期，苏联的柳巴夫斯基，诺沃日洛夫与日本的 关口春次郎分别成功研究出二氧化碳气体保护电弧焊方法，其熔滴过渡形式多为 短路过渡。目前短路过渡c 0 2 焊被广泛应用于低碳钢、低合金钢的薄板焊接， 具有高效、节能、低氢、低成本、变形小以及可以进行全位置焊接等优点，易于 实现自动化，是汽车工业中主要的气保焊方法之一【7 ，引。 图1 - 1 短路过渡过程与电压、电流关系 f i g 1 1 t h er e l a t i o nb e t w e e nc u r r e n ta n dv o l t a g ew a v e f o r m sa n ds h o r t - c i r c u i tt r a n s f e rp r o c e s s 短路过渡主要适合于巾o 8 巾1 2 m m 的细焊丝，其特点是使用小电流并配合以 短弧。当弧长小于该熔滴的悬挂长度时，熔滴与熔池接触而形成短路，这时电弧 稳定，飞溅小，可对薄板和空间位置焊接，这就是短路过渡。为了更好地应用这 第1 章绪论 过渡形式，下面具体地描述短路过渡过程。 短路过渡时焊接电流和电弧电压的波形图及熔滴过渡示意图如图1 1 所示， 图中用如下符号表示短路过渡过程的参数：t l 一电弧燃烧时间；如一短路时间；t 3 、 0 一电压上升和下降时间：卜焊接循环周期，t = t ，+ 幻；厶积一最大电流( 又称 短路峰值电流) ；厶加一最小电流( 又称稳定电流) ；厶一焊接电流( 平均电流) ； 配一平均电弧电压。 电弧燃烧后，由电弧析出的热量，强烈地熔化焊丝，并在焊丝端头形成熔滴 ( 如图1 1 中2 所示) 。 由于焊丝熔化并聚球，形成较大的电弧空间，其长度决定于电弧电压。随后， 熔滴体积逐渐增加，而弧长却变化不大( 图1 1 中3 所示) 。随着熔滴不断长大， 电弧向未熔化的焊丝方面传入的热量减小，同时焊丝的熔化速度也降低( 图1 1 中4 所示) 。由于焊丝仍以一定的速度送进，所以势必导致熔滴逐渐接近于熔池。 同时，熔滴与熔池在电弧力与重力作用下，熔滴不断地飘动，而熔池也不断地上 下浮动，这就增加了熔滴与熔池接触的可能性。当熔滴与熔池接触时( 图1 1 中 5 所示) ，电弧熄灭，电弧电压急剧下降，而短路电流逐渐增大，形成短路液柱 ( 图1 1 中6 所示) ，而这种状态的液柱难以自行破断。随着短路电流不断增大， 由于短路电流的电磁收缩作用，熔滴形成缩颈( 图1 1 中7 所示) ，该缩颈通常 称为“小桥 。这个“小桥”连接着焊丝和熔池，小桥的截面最小，所以在表面 张力作用下，铁水向两端流动。同时该小桥通过较大的电流，在电磁收缩力作用 下，小桥急骤变细。当短路电流增大到某一数值后，“小桥”由于过电流而爆断。 同时，电弧电压很快恢复到空载电压以上( 恢复时间幻) ，电弧又重新引燃，就 这样重复上述过程，完成整个熔滴过渡过程的连续进行。 在t ，时间内，熔滴处在高温电弧作用下。由于短路过渡多采用1 0 0 c 0 2 或 2 0 c 0 2 + 8 0 a r 混合气作为保护气体，所以具有很高的氧化性，并且由于c 0 2 的受热分解，使熔滴在燃弧期间受到较大的排斥力，影响焊接过程的熔滴过渡。 短路过程正常进行时，电流在短路阶段应该这样进行：短路起始电流应该 在较低的数值保持1 m s 左右的时间，以保证熔滴与熔池柔顺融合，避免产生瞬 时短路。当熔滴在熔池表面摊开后，应该有足够大的电流，以便压缩液柱而形成 小桥。随后应降低电流上升速度，确保短路结束时的电流( 短路峰值电流厶似) 不太大，使得短路小桥在较小的爆破力作用下破断，同时伴随着较小的飞溅【7 】。 另外，电压上升和下降时间( b 和幻) 是电源动特性的两个很重要的指标，通常 总是设法减少这些时间。 为了更好地控制短路过渡焊接过程，降低飞溅和改善焊缝成形，人们采用 了多种控制方法进行控制，其中比较典型的如美国林肯公司的s t t 法、北京工 业大学的自然短路过渡方法、以及其它各种波控方法等【9 j 1 1 。 12 2 不同低热输入短路过渡方法 为了适应薄板焊接低热输入的要求，许多学者经过大量的科学实践研究，从 不同的角度出发，丌发出各种降低焊接过程热输入的短路过渡方法，比较典型的 有c m t 法、n l e i 焊接法、e w m - c o l d a r e 法等。 122 1 c m t 焊接法c m t l c o l d m e t a l t r a n s f e r ) 是f r o n i u s 公司1 i = 发的一种精 确控制热输入的短路过渡焊接技术，很适合薄铝板、钢板和异种材料的焊接或钎 接。1 9 9 7 年在钢与铝焊接技术的基础与无飞溅引弧的基础上，又经过5 年的努 力开发出了c m t 技术。c m t 法是在短路过渡基础上开发出来的。普通的短路 过渡过程是：焊丝熔化形成熔滴_ 熔滴同熔池短路_ 小桥爆断，短路时伴有大的 电流( 即大的能量输入) 和飞溅。而c m t 法采用推拉丝的送丝方式，当发生短 路时，送丝机反转回抽焊丝，从而使得焊丝与熔滴分离，使熔滴在几乎很小电流 状态下过渡，从根本上消除了产生飞溅的因素，焊接过程如图1 2 所示旧“】。 v 口 印 9 ij li l；| l 一t f一- 专_ t f ，p i t 图i - 2c m t 焊接过程 f i 9 1 2t h e c m t w e l d i n gp m e 嚣s 相比于其它焊接方法，c m t 法有其独到的优点1 5 - 3 2 1 ： ( 1 ) 送丝过程与熔滴过渡过程相结合传统的熔化极气保焊送丝系统和焊 接过程是相对独立的，而c m t 法的熔滴过渡过程是由送丝运动变化来控制的， 当发生短路时，焊机的微处理器接收到短路信号迅速向送丝机发出信号使其反 转回抽焊丝，拉断熔滴完成过渡，然后送丝机正转向前送进焊丝直至发生短路。 整个焊接系统采用闭环控制，每个周期重复同样的过程。c m t 系统控制图如图 1 3 所示。 图1 - 3c m t 系统控制图 f i gl - 3 t h es c h e m a t i cd i a 口 a m o f c m ts y s t e mc o n t m l ( 2 ) 焊接过程能量输入低c m t 焊接法电弧输入热量的过程很短，短路发 生时，电弧熄灭，电源将电流降至非常低热输入量迅速减少。整个焊接过程在 冷热交替中循环往复，能量输入低。可以实现o3 m m 以上超薄板的焊接，工件 变形极小。 图1 _ 4 为采用传统短路过渡( 图a ) 和c m t 方法( 图b ) 得到的焊缝成形对 比图，可以看出由于c m t 方法的能量输入较低，所以形成更窄更高焊缝截面。 二者的送丝速度均为50 m r a i n ，传统短路过渡的焊接电流为9 6 a ，电压为1 70 v ； 而c m t 方法的焊接电流为8 4 a ，电压为1 35 v 。c m t 方法产生的能量为传统短 路过渡形式的7 0 * 0 。 n - 。_ _ _ _ _ _ - 一 一_ b ) d t 图1 4 不同短路过渡方法焊缝圈 f i g a 4 t h e w e l da p l x a r a n c e o f d i f f e r e n ts h o r i - c i r c u i t a 璐f h ( 3 ) 熔滴过渡无飞溅捍丝的机械式回抽运动拉断了液体小桥，完成熔滴 过渡，同时避免了传统短路过渡方式不可避免的电爆炸飞溅如图l 一5 所示。 一5 - 谬谚| 】 涉 l _ _ i - _ 一i i o 上 图1 - 5c m t 法焊丝的逞动过程 f i g l - 5t h e w e l d i n g 训m m o v t o f c m t w e l d i n g 总之，虽然c m t 法能量输入很低，不仅适用于薄板铝合盒和薄镀锌板的焊 接，还可以实现镀锌板和铝舍金板之间的异种金属连接，但是由于c m t 法的焊接 设备及控制极其复杂，整套设备造价昂贵，不利于普及应用。加之为了焊丝的送 进和同抽在焊枪上加装有伺服电极，致使焊枪过于笨重，需要配合机器人进行 操作，从而也大大地限制了其应用的范围，不适合大面积的普及应用。 12 22 n l e i 焊接法n l e i ( n e w l o w e n e r g y i n p u t ) 焊接法是北京工业大学开 发的一种基于短路过渡的低能量焊接方法。该方法的基本思路是：首先通过设定 焊丝的运动曲线，使其周期性地做前进一后退的往复运动，焊接过程不需要在线 调整，同时使焊接电源配合焊丝的运动输出相应的电流、电压波形，实现稳定的 推拉丝短路过渡，达到降低焊接过程能量输入的日的p 粥q 。 i g 心烈 。0 y 、。# 图l a sn l e i 焊接法波形控制方案 f i g l 石t h e w a v e f o mc o n t r o lp r o j e c t o f n l e l w e l d i n g 图1 6 所示为n l e i 焊接法的波形控制方案。由图可以看出，整个周期由4 - 6 一 第1 章绪论 部分组成，其中a - b 、b c 段为短路阶段，c d 、d e 段为燃弧阶段。a b 段为短路 初期，焊丝处于前进末期，这时将电流降至一个较小值m ，防止短路瞬间电流 上升过高，为下步控制做准备；b - c 段为短路后期，此时焊丝运动处于回抽初 期，将电流升至一个稍大值肪，保证在焊丝回抽拉断熔滴瞬间电弧顺利的再引燃 及对熔滴进行一定的预热，另外有利于形成颈缩；c - d 段为燃弧初期，焊丝回抽 拉断熔滴，将电流迅速提升至一个较高值，保证电弧顺利的再引燃并促进熔化焊 丝形成熔滴以及加热母材，该电流记作脉冲峰值电流i a p ，经过脉冲时间t a p 后 到达燃弧中后期，此时将电流降为基值电流l a b 直到发生短路，i a b 值较低用以 维持电弧燃烧并对熔滴进行整形，如d - e 段所示。图1 7 所示为n l e i 控制法的 实际焊接过程电流、电压和送丝方向波形【3 7 , 3 8 j 。 8 4 。2 s0 薹- 2 - 4 _ 6 君 ： 宝： 蓦： 一2 4 0 ：嚣 2 0 1 0 0 8 0 鎏6 0 一柏 芎 a ) 宏观图 6 4 片2 要0 薹- 2 - 4 6 嚣 ： 考1 ，。2 耋： 一2 4 o ：笔 1 2 。 1 。0 。0 彗6 0 一竺 o i 1 i b ) 细节图 图1 7电流、电压和送丝方向波形 f i g 1 7 t h ec u r r e n ta n dv o l t a g ea n dw i r ef e e d i n gd i r e c t i o nw a v e f o r m s 由上面所述可知，n l e i 焊接方法其波形控制方案的实质就是根据电压采样 进行短路燃弧的状态判断，通过严格的时序控制，输出不同大小和宽度的电流 波形，配合焊丝的运动，实现稳定的推拉丝短路过渡。该方法的焊接过程与c m t 法有一个共同的特点，就是整个焊接过程均需要通过改变焊丝的送进方向来满足 焊接过程控制的需要，所以也同样存在焊接过程控制复杂以及设备造价昂贵等缺 点，因此不利于大面积普及使用。 j 匕女t n 学t 学博l 学位* z 】223e w m c o l d a t c 法对低能量焊接过程送丝过程中无机械调节的研究已 经取得了进展在2 0 0 5 年的德国埃森焊接与切割展览会上，德国e w m 公司推 出了一种新型的e w m e o l d a r e 焊接技术，并先后获得“焊接业最佳产品奖”、 a b i c o r 创新奖、“m m a w a r d2 0 0 6 ”以及r h e i h l a n d - p f a l z 年度创新奖等四项大 奖。焊接过程如图1 8 所示，被修正的短电弧只在电源内部进行调节，比如新型 的高度动态化的逆变开关、快速的数字化过程控制、使用标准焊枪等，极大地减 少了再引弧时能量高峰的数值，减少了金属熔化阶段的热量输入h “。 圈i - 8c o l d a r e 焊接过程熔滴过渡顺序幽( 高速摄像照片8 0 0 0 b s ) f i g t - 8s e q u e n c e o f t h e m a t e r i a l t r a n s f e r i n t h ec o l d a r c p r o c e s s 【t a k e n f r o m h i g h - s p e e d p c n l 瞄8 ，0 0 0 b s ) - 骗掳- 热- 量土上上一是 舳4 脯m 盈童上童五 ：b 罡“b 竖 1 ：l 尘 a ) 短弧焊接方法 b ) c o l d a r c 焊接方法 图i - 9c o l d a r c 法波形与传统短路过渡波形对比示意圈 f i g1 - 9t h e d i f f c eo f c u r r e n ta n d v o l t a g e w a v e f o r m s b e t w e e n t r a d i t i o n a ls h o r t - c i r c u i ta n d c o l d a x c e w m c o l d a r c 焊接方法( 图1 - 9b ) 和传统的短路过渡( 图1 - 9a ) 相比，具 有独特的控制波形：在燃弧开始时将电流快速下降以减少再引燃电弧时的能量输 出等电弧稳定后，即到了燃弧中期时再通过脉冲电流的方式使焊丝端头产生熔 滴到燃弧后期时再将电流降低。通过波形图可以看出，c o l d a r c 法大人降低了 燃弧电流，从而降低了整个焊接过程的能最输入i 蜊。 图l - 1 0 表示的是再引弧时的电弧输出能培曲线，与传统的短路过渡焊接方 * l 绪* 法比较可以看出，c o l d a r c 方法在再引弧以及其后的时间里能量明显降低，这就 为该方法的低能量输出提供了保障 4 s 】。 三|l| 传统短玮过渡 e o l d k r e 电弧 图1 1 0 。0 l d a r c 再引弧时电弧输出能量最小 f i g1 - 1 0t h e m i n i m u m o u t p u te n e r g y o f t h ec o l d a l 。c p l x ：c e 嚣0 1 3r e - i g n i t i o n 总之，e w m - c o l d a r c 焊接方法从原理上依然属于短路过渡的方法，其采取 降低能量的手段是通过降低燃弧初期的焊接电流，使焊接过程在此阶段的能量输 出降低来实现。并且，由于该方法焊接过程不要求送丝速度变化，因此其在经济 上要优于前面的两种方法。 1 3 交流焊接发展概况 1 _ 3 1 交流过渡方案的提出 由于阴极区和阳极区的导电机理不同造成这两个极区空自j 的性质差别较 大，从而导致这两个极区电压差别很大，所以当采用不同极性接法时焊接过程对 母材和焊丝的加热作用也差别巨大。 图1 一1 1 为不同极性时的焊接电流和送丝速度的对比图，由此图可以看出， 在同样焊接电流时，e n 极性比e p 极性所需要的送丝速度要大。相反，在具有 相同的送丝速度时，e p 极性比e n 极性的焊接电流要大。田此，如果通过合理 分配e p 和e n 极性所占的比例，则可以实现控制焊接过程热输入和焊缝成形的 目的，以满足不同热输入情况的需要，如图1 1 1 中和 所示【4 ”。这种通过交 流电孤实现能量调节的方案首先是在m i g 焊中被采用，如今随着工业发展的需 求，也逐渐被应用到m a g 焊中。 北京t 业大学工学博上学位论文 os o1 0 0 1 5 0 电流彳 图1 1 l不同极性接法焊接电流与送丝速度对比图 f i g 1 - 11 t h ec o m p a r i s o no f d i f f e r e n tp o l a r i t yw e l d i n gc u r r e n ta n dw i r ef e e ds p e e d 1 3 2a c p m i g 焊接方法 d c e pp m i g d c e n m i g 焊接过渡状态 厶愈 溶池状态 咿盘 焊丝熔化系数 小大( 为e p 极性时的1 5 倍) 阴极雾化有无 焊接薄板时的问题 下塌、咬边、烧穿熔合不良、凸焊道 焊接薄板的方法 v p p m i g = d c e pp m i g +