（材料加工工程专业论文）co2焊接波形控制策略及其系统实现.pdf

中文摘要 中文摘要 为了解决c 0 2 飞溅大的问题，国内外学者做了大量工作，通过研究发现，在 短路过渡c 0 2 焊中使用适合熔滴过渡行为的波形控制，可以有效地减少焊接飞溅 的产生。传统的模拟控制在控制精度、速度和稳定性上不能满足波形控制的要求， 随着数字化技术的引入，尤其是高频率开关元件的出现，为精确分析和控制熔滴 过渡过程的电流、电压波形奠定了基础。 本文深入分析了数字化焊接电源的研究进展，通过总结各种控制飞溅措施的 优劣点，提出了基于p i 控制的自寻优波形控制策略，该方案将定时控制与p i 反馈 控制相结合，巧妙的回避了c 0 2 短路过渡中颈缩点不易检测的难点，而通过调节 短路电流增长率d i d t ，使颈缩在设定时间内、低电流的条件下断裂，达到减小飞 溅的目的。 根据此方案，设计完成了包括驱动i g b t 的相位差18 0 0 的双路p w m 信号产 生程序，a d 转换程序、p i 控制程序、以及异步通信程序和焊接主程序。另外， 对系统密切相关的稳定和抗干扰问题进行了详细的讨论。 最后本文进行了相关的实验研究，研究结果表明，本文研究的数字化控制系 统与相应的硬件电路能够很好的配合以实现程序设计的各项功能，并且能够按照 方案要求输出实时、正确的控制波形，采用该数字化控制系统可以进行弧焊电源 的数字化控制技术研究。 关键词：焊接电源；自寻优波形控制；c 0 2 焊；焊接飞溅 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fs p a t t e r si nc 0 2w e l d i n g ，d o m e s t i ca n df o r e i g n s c h o l a r sh a v ed o n eal o to fw o r k e x t e n s i v es t u d i e sf o u n dt h a tt h ew a v e f o r r nc o n t r o l c a r le f f e c t i v e l yr e d u c et h es p a t t e rp r o d u c t i o ni nc 0 2s h o r t c i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n g i t i sd i f f i c u l tf o rt r a d i t i o n a lc o n t r o lt o s a t i s f y t ot h e r e q u i r e m e n to fw a v e f o r m c o n t r 0 1 t h ei n t r o d u c t i o no fd i g i t a lt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yh i g h f r e q u e n c ys w i t c hh a v e l a i dg o o df o u n d a t i o nf o ra c c u r a t ea n a l y s i sa n dc o n t r o lo fc u r r e n t ，v o l t a g ew a v ei n m e t a lt r a n s f e rp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，t h ep r o g r e s so fd i g i t a lw e l d i n gp o w e rs o u r c ew a sp r o f o u n d l y s t u d i e d o nt h eb a s i so fv a r i o u sm e a s u r e s o fr e d u c i n g w e l d i n gs p a t t e r s ，t h e s e l f - o p t i m i z i n gw a v e f o r mc o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o np ic o n t r o lw a sp r o p o s e d w i t ht h e i n t e g r a t i o no fr e g u l a r l yc o n t r o la n dp if e e d b a c kc o n t r o l ，t h ep r o g r a m m ec l e v e r l y a v o i d e dt h ed i f f i c u l t yo fn e c k i n gd e t e c t i o ni nc 0 2s h o r t - c i r c u i tt r a n s f e rw e l d i n g ，a n d m a k et h en e c k i n gt r a n s f e ri nt h es e tt i m e ，u n d e rc o n d i t i o n so fl o w c u r r e n tt oa c h i e v e t h eo b j e c t i v eo fr e d u c i n gs p a t t e r sb ya d j u s t i n gs h o r t - c i r c u i tc u r r e n tg r o w t hr a t e t h es o f t w a r es y s t e mw h i c hi n c l u d ep r o g r a mo ft w o c i r c u i tp w m s i g n a lb e t w e e n w h i c ht h e r ew a sp h a s i cd i f f e r e n c eo f18 0d e g r e e d ，a dc o n v e r s i o n ，p i dc o u n t i n g s u b r o u t i n e ，a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o na n db a s i cs u b r o u t i n ei nw e l d i n gp r o c e s s w a sc o n s t r u c t e db yt h ed e s i g n e dp r o g r a m m e i na d d i t i o n ，t h es t a b i l i t ya n d a n t i i n t e r f e r e n c ei s s u e sw h i c hc l o s e l yr e l a t e dt ot h es y s t e ma r ed i s c u s s e di nd e t a i l f i n a l l ys o m er e l a t i o n a le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l ts h o w st h a tt h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mc a nw o r kw i t hr e l a t i v eh a r d w a r ec i r c u i tw e l lt or e a l i z ek i n d so f f u n c t i o n si nd e s i g n ，a n dt h er e a l - t i m e ，c o r r e c to u t p u tc o n t r o lw a v e f o r mc a nb er e a l i z e d t h i sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rc o u l db eu s et os t u d yo nt h ed i g i t a l t e c h n o l o g yo fa r cw e l d i n gp o w e rs o u r c e k e yw o r d s ：w e l d i n gp o w e rs o u r c e ，s e l f - o p t i m i z i n gw a v e f o r mc o n t r o l ，c o ss p a t t e r si n w e l d i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠蠢堂或其他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。 学位论文作者签名：刮坼许 签字日期： 多口g 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 未卜听 导师签名； 签字日期：动d 寥年占月日 签字日期：肄月1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1c o ：焊接电源发展与数字化技术 2 0 世纪7 0 年代起，石油化工、造船、电站、锅炉、海上平台、重型机械等 以焊接为主体工艺的现代工业取得飞速发展，c 0 2 气体保护焊接新工艺得到了广 泛应用。在焊接机械化、自动化进程中，c 0 2 气体保护焊机被列入关键的执行设 备。有的工业发达国家，焊接机械化、自动化程度已经高达6 0 以上，电弧焊机 中自动、半自动焊机的构成比已高达8 5 ，其中c 0 2 气体保护焊机居主导地位川。 c 0 2 焊接工艺十分复杂，随着电子技术的不断发展，c 0 2 焊接技术也有了很大 的改进。5 0 年代采用的旋转直流焊机，6 0 年代出现了变压器抽头式硅二极管整 流焊机和磁放大器式整流焊机。7 0 年代又出现了可以实现外特性控制，网压补 偿和过载保护功能的半控式晶闸管整流焊机。8 0 年代以来随着大功率半导体器 件的发展，现代的电力电子逆变技术正逐步取代传统的电磁转换技术，出现了逆 变焊机。这种全控式焊接电源，是在深入研究c 0 2 焊工艺的基础上，利用逆变焊 机对c 0 2 焊接过程进行精细的控制。9 0 年代以来国内外先后出现了性能良好的逆 变式c 0 2 焊机l l j 。 现代焊机是以数字化技术为基础而实现，数字化是指把随时间连续变化的模 拟信号每隔一定时间切取一段，将切取的值用一组二进制数编码表示，从而将连 续的模拟信号变换为离散的数字信号的操作过程。采用数字电路、数值计算对数 字信号进行处理、对被控对象进行控制的技术为数字控制技术，相应的系统称为 数字控制系统。 数字化焊接电源：采用数字控制技术的焊接电源，目前主要是指采用数字化 技术实现焊接电源闭环控制的逆变式弧焊电源【2 】，在数字化焊接电源中，用电流、 电压的数字信号代替了模拟信号；用数字信号处理代替了模拟信号处理；用数字 电路以及软件程序控制代替了模拟电路控制。数字化焊接电源的核心是数字控制 系统。目前焊接电源数字控制系统的核心大多是微控制器( m c u ) 或数字信号 处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 。 在1 9 9 3 年的德国埃森焊接博览会上，芬兰肯比公司发布了第一款数字控制 的弧焊系统k e m p p ip r o e 3 1 。从此之后，f r o n i u s 、松下等世界各大焊机厂商 相继开始了数字化焊接设备的研制，并向市场推出了一系列功能各异的数字化焊 第一章绪论 机产品。随着计算机技术、数字化技术的发展，有关数字化焊接电源的研究越来 越多，并逐步成为了焊接电源的主要发展方向1 4 j 。 相比传统的模拟焊接电源，数字化电源表现出了很大的优势，以下列举出了 数字化焊接电源的一些特点t s - 1 0 1 。 ( 1 ) 控制精度高模拟控制的精度一般由电子元器件参数值引起的误差 和运算放大器非理想特性参数引起的误差所决定。而且模拟控制往往采用多级处 理，其误差积累和噪声的逐级放大，使模拟控制系统的总体误差较大。数字控制 避免了以上误差的产生，其精度仅仅与模。数转换的量化误差，以及系统的有限 字长有关，数字化控制可以获得较高的精度。 ( 2 )柔性控制传统的模拟控制系统，主要由硬件电路结构及其参数决 定了系统的控制功能。电路结构一旦确定就难以改变，对于数字控制系统，系统 的控制功能是在基本硬件电路的基础上，通过软件编程来实现的。对于同一套硬 件电路，可以通过改变控制策略、控制参数、控制流程等方式来改变系统的功能， 从而实现不同的功能。 ( 3 ) 人机交互功能强大数字化焊接电源往往具有人机交互系统。该系 统是人机最直接的操作界面，是操作者向数字控制系统输入信息、发出指令及观 察现场参数和信息的窗口，具有友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可 靠性等特点。数字化焊接电源利用单片机和d s p ，在引入专家系统等智能控制技 术的基础上，可以实现焊接参数的一元化调节，实现弧焊电源的“傻瓜式”操作， 极大的方便了操作者。 ( 4 ) 智能化程度高，升级容易传统的模拟电源换代往往需要进行硬件 电路结构的调整或改变，对于新型数字化焊接电源的升级，一般通过控制策略， 控制方法，控制参数等进行调整，而涉及以上操作则往往从软件方面进行。另一 方面，数字化焊接电源可以与专家系统良好的接合，对于不同的焊接工艺、焊接 方法、焊接材料、直径等提供与之适应的控制方法和参数，以达到最优的焊接效 果。 1 2 数字化焊接电源的基本结构和功能 由于单片机与d s p 具有不同的特点，因此许多数字化焊接电源采用了单片 机( m c u ) 和d s p 双处理器系统。该系统充分利用了单片机和d s p 的特点，对 焊接电源进行数字化、智能化控制。 图1 - 1 是一种数字化焊接电源系统的结构框图。由图可见，该电源的主电路 2 第一章绪论 系统是逆变电路系统；其数字化控制系统采用了单片机和d s p 双数字处理器。 在焊接电源数字控制中，利用传感器进行电流、电压信号的采样，并将电流、电 压反馈信号，直接输入d s p ，通过d s p 内部的a d 转换器，将电流、电压反馈 的模拟信号转变为数字信号；电流、电压的给定信号以数字量的形式，由控制面 板输入到单片机，经过单片机处理传送给d s p ；d s p 根据电流、电压给定值与 反馈值，基于一定的数字控制规则和算法进行运算，产生p w m 脉冲序列；d s p 输出的p w m 信号通过驱动电路，控制焊接电源逆变电路功率开关器件的通断， 得到电源的输出电压和电流。如果是熔化极焊接电源，d s p 还将输出p w m 信号， 通过驱动电路控制送丝机的送丝速度。 数字化焊接电源系统中具有较强的通信能力，不仅可以完成单片机与d s p 之间的通信，而且通过r s 2 3 2 接口可以实现外部微机与单片机的通信，从而可 以非常方便地实施网络化管理与软件控制程序的升级。 图l l双处理器数字化焊接电源典型结构示意 焊接电源的数字化主要包括三个方面1 5j 。第一个方面是弧焊电源主电路的数 字化，即从模拟式到开关式弧焊电源主电路，发展到现在大量应用的m o s f e t 或双极性晶体管式弧焊逆变器的主电路。主电路的数字化在将电源功率损耗大大 减少，使得焊接电源的效率达到9 0 以上的同时，也获得了更好的动态响应特 性。第二个方面是控制电路的数字化，就控制系统的结构而言，数字化焊接电源 的控制部分由单片机和d s p ( 数字信号处理器) 构成，对给定信号流、参数反馈 流和网压信号流作综合处理与运算、控制，达到焊接电源的实时跟踪。第三是人 机接口技术。人机交互系统是人机最直接的操作界面，是操作者向计算机输入信 息、发出指令及观察现场参数和信息的窗口，应具有友好性、灵活性、功能性、 3 第一章绪论 明确性、一致性、可靠性等特点。图1 2 为一般意义上的数字化焊接电源系统的 功能图。 图1 2数字化焊接电源的功能 1 3 数字化c 0 2 焊接电源的发展现状和前景 针对c 0 2 飞溅严重的问题，长时间以来，国内外许多学者从多个角度着手 对c 0 2 焊接进行了深入研究，取得了一定的进展。有从工艺角度来进行研究， 有从电源角度来进行研究，为减少c 0 2 焊接飞溅的产生提供了许多的有价值的 解决方法，如：脉动送丝法、切换电源外特性法、焊接电流波形控制法以及使用 药芯焊丝等方法。其中电流波形控制法的设备简单、效果明显，受到普遍关注】。 c 0 2 焊接短路过渡波形控制如果依赖以往的模拟电路来实现，不仅设备上复杂， 而且精确度不高，无法精确地进行短路过渡控制。随着数字信号技术的发展，为 精确波形控制的实现提供了坚实的技术基础。 目前国外许多厂商都推出了相应的数字化焊机，如f r o n i u s 、p a n o s o n i c 、 k e m p p i 等公司都推出了各自的数字化焊接电源产品。 在我国，数字化c 0 2 焊接电源还处于冈j j f l t j 起步的初级阶段，上海交通大学、 甘肃工业大学、北京工业大学、兰州理工大学、华南理工大学、天津大学等高等 院校以及北京时代公司等焊机生产厂家都在开展数字化c 0 2 焊机的研究，但是 距离国外该领域的研究和应用还有一定的差距【12 1 。我国焊接技术总体水平比较 低，仍然不能满足现代工业发展的需求。为了加快焊接技术进步、适应国民经济 4 第一章绪论 的发展，应促使焊接技术本着巩固、完善、推广、提高的原则，继续向节能、高 效的方向发展，在大力推广应用机械化、自动化、高效焊接工艺的同时，重点发 展高效的焊接材料和节能高效的自动、半自动c 0 2 气体保护焊机。 数字化焊机具有与传统模拟控制焊机相比无可争议的优势。但是，处理速度 慢和抗干扰能力差是数字控制的主要缺点，因此在数字化焊机的实现中必须通过 合理的控制芯片选择和整体设计满足焊接工艺对处理速度的最低要求，同时要采 取有效的抗干扰措施，使数字控制电路能够适应高辐射、强电磁干扰的焊接工艺 环境i l 引。随着数字控制技术的发展，尤其是数字信号处理器( d s p ) 的广泛应用， 使得数字化焊接电源的波形控制能力更为精确，从而提供更为方便的新型焊接工 艺研发手段，使新工艺、新设备的更新换代成为可能。 自9 0 年代初期以来，以微机控制为系统核心，将模糊控制、人工神经网络 及专家系统等控制理论应用到本领域进行焊接电源的研究，为晶体管、场效应管 及i g b t 式焊接电源逐步朝着数字化、智能化的方向发展，以适应焊接机器人全 位置自动化焊接和高质量、高精度焊接技术的需要提供了良好的平台。 随着市场竞争的日趋激烈，如何提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实 现焊接生产的自动化、智能化越来越得到焊接生产企业的重视。而计算机存储功 能和信息处理能力的发展、自适应控制人工智能技术、计算机视觉技术、数字化 信息处理技术和机器人技术等现代高新技术的溶入，也促使焊接技术正向着焊接 工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程机器人 化的方向发展，焊接设备也向着数字化、智能化、机器人化发展。 1 4 本文的研究目的和主要研究内容 随着现代工业及信息产业的迅速发展，各种金属材料在结构、种类和特性方 面的多样性对焊接设备提出了更高的要求。一方面要求电源能在恶劣的环境下高 效可靠地运行，并具有较强的可控性调节，精度高。另一方面要求电源轻便灵活、 通用性强、面向用户以适应不同的焊接工艺的要求【l4 1 。数字化焊接电源的外特性 和动特性控制由软件编程实现，易于实现柔性化控制；数字化电源不易受器件参 数误差的影响，具有更好的稳定性；数字化电源具有更高的控制精度，具有更好 的接口兼容性，而且其微控制器具有强大的计算能力，为各种智能控制理论的应 用提供了一个优秀的平台。 虽然国内外已经出现了一些关于双处理器数字化焊接电源系统的研究成果， 但是目前的研究中还存在着一些不完善的地方，同时已有的数字化c 0 2 焊接电源 5 第一章绪论 还没有同c 0 2 焊波形控制理论较好的结合起来。因此，本课题拟在单片机+ d s p 双处理器控制数字化焊接电源的架构下，针对c 0 2 焊接过程飞溅大的问题，采用 数字化技术来进行相应的动特性的控制，设计一台用于c 0 2 气体保护焊的数字化 控制系统。 本课题的主要研究内容为： 1 ) 进行d s p 和m c u 双处理器的焊接电源数字化控制系统整体结构的设计， 构建焊接电源数字化控制的研究平台； 2 ) 针对c 0 2 焊接短路过渡的特点，制定了对应的波形控制方法； 3 ) 根据采取的波形控制策略，进行d s p 数字化控制系统软件的设计。 6 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 c 0 2 焊是一种易于实现自动化的焊接方法，因其生产效率高、成本低、能源 利用率高，广泛应用于中、薄板和全位置焊接等多个领域。但是，c 0 2 焊同时存 在着焊缝成型差、飞溅大等缺点，大大制约了它的使用和推广1 15 i 。特别是飞溅， 严重降低焊接成品的表面光洁度，降低熔覆率，还会造成焊枪口的飞溅堆积，焊 后对焊件和焊枪口的清理使辅助工作时间增加，阻碍c 0 2 焊高效率特点的发 挥。短路过渡是c 0 2 气体保护焊中采用的最重要的熔滴过渡形式。熔滴的短路过 渡行为对焊接过程的稳定性、接头质量、焊缝成型等都有直接的影响。长期以来， 工程技术人员对熔化极气体保护焊的熔滴过渡行为进行了深入的探讨。 c 0 2 焊短路过渡周期大致经历燃弧、短路、液桥颈缩形成和脱落以及电弧 复燃四个阶段。燃弧阶段电弧呈短弧，这时焊丝末端金属被加热熔化并形成熔 滴，因为电流小，熔滴尺寸不能很快长大。由于弧隙小，当熔滴尚未开始长大 时熔滴表面就和熔池表面接触，形成短路液桥。这时电弧瞬时熄灭，短路电流 迅速增长。形成液桥后，由于短路电流形成的电磁力及液桥与熔池接触处表面 张力等的联合作用，使液桥在焊丝末端逐渐形成颈缩，最后使液桥在颈缩处断 裂并向熔池过渡。之后焊丝末端与熔池表面间又出现小间隙，此时若电弧电压 恢复速度足够快，就会重新引燃电弧，到此就完成了一次过渡周期 1 6 , 1 7 】。 图2 - 1c 0 2 焊短路过渡的熔滴过渡过程 7 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 2 1c 0 2 短路过渡与飞溅的产生 2 1 1 影响熔滴形成的影响因素 i g , 1 9 在c 0 2 短路过渡焊接过程中，熔滴的形成主要在上一个短路周期结束后焊丝 端部残余液态金属体积v c 基础上，由燃弧能量熔化焊丝形成的。如果能够使 熔滴与熔池柔顺接触，并在熔滴短路阶段使液桥颈缩在趋向于焊丝端部的部位形 成和破断，从而使熔滴尽可能多地过渡至熔池，焊丝端部残余液态金属体积v c 尽 可能小，则对于不同体积的熔滴而言，不仅v c 具有良好的一致性，而且将能够 解除v c 与熔滴体积间的耦合作用， v c 也不具有累积作用。为此，一方面应控 制熔滴，使其具有接近或相同的形状；另一方面要分析影响熔滴短路过渡历程的 因素及机理，尽可能提高短路过渡过程的一致性，以提高v c 的一致性。 短路过渡时熔滴主要是在表面张力、电磁收缩力、熔滴爆破力和重力的作用 下实现过渡。在众多影响熔滴形状及熔滴短路过渡的因素中，电磁力相对于重力 和表面张力而言，影响的作用更加明显。 通过在燃弧初期提供较大的焊接电流可使熔滴具有扁平形状，以避免熔滴下 端部与熔池的非正常接触短路。研究发现燃弧后期，在熔滴达到一定体积后，采 用较小的焊接电流，可以使得熔滴在与熔池短路接触时顺利铺展，获得尽可能少 的焊丝端部残余液态金属，减小熔滴形状不同引起的v c 差异。 2 1 2 短路过渡飞溅产生机理 短路过渡时熔滴主要是在表面张力、电磁收缩力、熔滴爆破力和重力的作用 下实现过渡 1 6 , 1 7 】。相对于另外三种力，重力的数值较小可以忽略不计。 1 与燃弧电流相关的电磁收缩力 e = k 2 ( 尺2 一r 2 ) 1 0 0 】tr 4 ( 2 1 ) 其中：尺为液桥半径；，为短路电流；厂为距焊丝轴心距离；置为系数。 电磁收缩力对熔滴的过渡在不同的时期产生不同的作用，瞬时短路过渡开始 时对熔滴的过渡有阻碍作用，在短路过渡过程中加速液桥的形成，对熔滴过渡起 促进作用。由2 1 式可知电磁收缩力与电流的平方成正比，且从焊丝轴心向外逐 渐减小，到表面时减d , n0 。 2 表面张力 曩= 2 a r o ( 2 - 2 ) 其中：只为熔滴与熔池接触的液面半径；o 为表面张力系数，与材料成分、温度、 气体介质等有关。 8 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 表面张力同样在不同的时期对熔滴过渡有不同的作用，在液桥颈缩变细的过 程中先是有阻碍熔滴过渡的作用，当液桥直径达到某一临界直径后，表面张力又 变成了促使熔滴过渡的力1 1 9 】。 3 重力 熔滴的平均重力与焊接工艺的选择有很大的关系，重力的方向是确定的，总 是指向地心，因此在平焊和仰焊上，重力对熔滴过渡的作用有很大的差别。 此外存在气体爆破力，粘滞力等其他作用力，不过在以上的各种作用力中， 电磁收缩力和表面张力是短路过渡过程中的主要作用力和影响因素。 现在，一般认为c 0 2 气体保护焊焊接时飞溅产生的主要原因有以下几个方 面： 1 短路初期“瞬时短路”产生的飞溅 短路初期，即熔滴刚好与熔池接触，虽然在表面张力的作用下，使熔滴在熔 池中铺展，但焊接电流在熔滴下部产生的轴向电磁力分量向上，并且由于轴向电 磁力与焊接电流的平方成正比，与熔滴和熔池接触断面的半径的三次方成反比， 因而在接触断面较小时，焊接电流会产生很大的轴向向上的电磁力，对熔滴在熔 池的铺展过渡极为不利，甚至可能造成熔滴接触部位的再度弹开。另外，由于接 触断面较小，电流密度大，接触区域电阻值也较大，大的焊接电流产生的电阻热 将导致熔滴下部接触区域局部过热乃至气化，熔滴被迅速排斥出熔池，形成飞溅， 也称为“瞬时短路飞溅”【l 剐。 2 短路末期液桥颈缩“电爆炸”产生飞溅 当熔滴在熔池表面充分浸润、铺展后，便在焊丝与熔池间形成液桥。此时的 焊接电流在液桥中部区域产生力图使液桥破断、方向相反的轴向电磁力，电磁力 与表面张力共同作用，使液桥产生收缩，形成颈缩。随着电流的增加和颈缩截面 积的减小，通过颈缩的电流密度增加得很快，对颈缩急剧加热，产生能量积聚， 最后导致颈缩液体金属发生汽化爆炸，引起金属颗粒的抛出，形成飞溅。短路末 期的短路电流越大，颈缩发生“电爆炸 时的几何尺寸越大，飞溅越严重。这种 飞溅机理被称为“电爆炸”飞溅理论【2 0 1 。 根据这一理论，电爆破能量主要由液桥爆破前1 卜15 0ps 内的短路电流所 决定的。所以控制飞溅主要就是在液桥爆破前1 5 0 1 1s 内将短路电流迅速降下来。 另外，在电弧重新引燃时，焊丝尖端与熔池距离很小，电弧高速等离子流会 对熔池形成很强的冲击，将其中的液态金属溅出，形成焊接飞溅。 虽然c 0 2 短路过渡飞溅的产生存在以上的各种原因，但是通过大量的研究发 现，在熔滴过渡过程中，当液桥电流过大，与之同时输出回路电阻较小时，将产 生大量的电阻热并导致熔滴过热进而气化产生飞溅是其主要原因，也即上面提到 9 第二章c o ：短路过渡控制理论及方案设计 的“瞬时短路飞溅”和“电爆炸飞溅 。 2 2 控制飞溅措施与波形控制理论 2 2 1 传统控制方法2 1 】 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d i d t 以及 短路电流峰值i m a x 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c 0 2 焊机多采用这种 方法，该方法设备简单可以达到控制液态金属小桥爆断能量的目的，能将飞溅量 从1 0 一2 0 降到1 0 以下，但此方法难以精确调节和实时控制并且也仅仅在 小规范条件下有一定作用。 当电感量水时，d i d t 大j 短路峰值电流l s d 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，d i d t 较小，i s d 不高，燃弧电流衰减较 慢，如图2 - 2 ( b ) 。当电感较大时，d i d t 很小，i s d 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d i d t 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。传统设备都使用铁磁电感，比 较笨重，且难以改变电感量，只适用于某一直径焊丝的某一段电流区间。 0 0 0 幻t ct 图2 2电感量对电流波形的影响 a ) 小电感b ) 中电感c ) 大电感 1 0 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 2 2 2 脉动送丝控, i j t 2 2 5 】 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， c 0 2 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。 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 广。 2 2 3 组合外特性控, i j t 6 , 2 n 由于c 0 2 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。 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、l 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 1 1 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 程正常进行，弧长稳定，电弧工作在i b 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i 。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i b 段。反之，若 弧长变长，使得电流工作点跳至i 。段，则会因电流i a 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i b 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。 u 2 复合外特性控制 图2 3 双阶梯形外特性 图2 4复合外特性 1 2 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 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。图2 3 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。 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：耶，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。 2 2 4 波形控制 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 1 3 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 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。波控法便可达到这一控制要求。 波形控制又可分为粗糙调节和精细调节两种形式。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【2 8 1 。 u o i o 图2 - 5 负脉冲诱导波形控制法电流电压波形 t 随着电子技术的高度发展，新型高速逆变器件如i g b t 等的出现，使焊机的 逆变频率越来越高，为实现c 0 2 焊接短路过渡的精确控制提供了硬件基础，可以 实现将每个短路周期细分，在不同的阶段实现精确的电参数控制，从而达到减少 飞溅的效果。要实现这一工艺过程的焊接设备不是简单的恒流或恒压控制，而是 一种特殊的电流波形控制的焊机。目前，随着数字化技术的发展，尤其是数字信 号处理器以及微控制器的快速发展，该类焊机正向着数字化方向发展，而且越来 越成熟。 1 表面张力过渡f 2 9 3 1 】 19 9 3 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 s t t ( t h es u r f a c e t e n s i o ntr a n s f e r ) 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2 0 k h z 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 1 4 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 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，s t t 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。 图2 - 6 s t t 波形控制示意图 ( 1 ) 基值电流段( t o t 1 )电流在熔滴发生短路前处于较低的平稳状态( 约为 5 0 - - 1 0 0a ) ，该电流保证熔滴在表面张力作用下形成近乎球状，既不会凝固， 也不会过分长大而脱落； ( 2 ) 液滴铺展段( t l - t 2 ) 焊丝送进，熔滴发生短路( 在基值电流下) ，电压检 测器检测出短路发生，为进一步促进熔滴与熔池的接触和“润湿”作用，电流立 即降至1 0a 左右，持续约0 7 5m s ( t l 纪) ，使熔滴能够在熔池中柔和的铺展 开来； ( 3 ) 颈缩段( t 2 - t 3 )小桥形成后，电流以双曲线状迅速上升，使短路液桥产 生颈缩力，同时计算电压的变化率du d t ( 注意，此时高温下的液态钢电阻率很 高，所以电压不为零) ； ( 4 ) 能量减少段( t 3 t 4 ) 当d u & 达到某一确定值时，说明熔断即将发生， 15 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 电流在几个i is 内降至5 0a ，使短路液桥依靠表面张力熔断并过渡到熔池中。 t 4 表示熔断发生时刻； ( 5 ) 液桥爆断段( t 和t 5 ) 熔断发生后，燃弧电流( 5 0 a ) 维持一段时间( t 4 t 5 ) ，这样可以减小燃弧时对熔池的冲击，使焊丝平稳脱离熔池； ( 6 ) 重燃弧段( t 5 - t 6 ) 过渡完成，燃弧之后，电流上升至4 5 0 a 左右，以保 证焊丝的正常熔化和对工件较宽范围的有效加热，并等待下一个过渡周期的到 来。如此周而复始直至焊接过程结束。 2 能量控制法1 3 l 】 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。能量控制波形如图2 7 所示。 一 媾 羽 之 3 幽 御 o o 图2 7能量控制示意图 时间以 3 智能控制【3 2 】【3 3 】 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 1 6 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 以下为一个典型例子，其电流波形见图2 8 。 图中有7 个可控参数，其中短路峰值电流i s p 、短路峰值电流持续时间t s l 、 电弧燃烧时间“o 、电弧重燃时刻的电流i a p 、基值电流i a a 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c p u 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 c p u ，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。 图2 8智能控制示意图 理论和实践均证明，波形控制法由于能够根据c 0 2 焊焊接过程的不同时刻 对电参数的不同要求提供合适的电流电压波形，可以有效地减少飞溅、改善焊缝 成形，因此，波形控制法受到各国焊接工作者的重视。随着电力电子技术的发展， 焊接逆变器的出现，尤其是以绝缘双极型晶体管( i g b t ) 作为开关器件的焊接逆 变器的出现，为更加灵活、精确地实现所需电流电压波形提供了有利条件。计算 机技术的发展，现代控制理论的丰富，使得焊接电源的电控系统功能更加强大， 实现波形控制更加多样化。 1 7 第二章c 0 2 短路过渡控制理论及方案设计 2 3 本课题选择的系统控制策略 2 3 1 各种控制方法的利弊 总之，提高短路过渡电弧稳定性的措施除了常规的优化焊接速度、送丝速度、 保护气体成分、流量以及焊丝材质、直径和焊丝伸出长度等不同工艺参数和焊接 规范外，更重要的研究应着眼于焊接电源性能的全面提升。 由于传统控制采取串入电感的方式难以兼顾短路过程两个阶段对电路需求， 电感较小时，容易产生小颗粒飞溅，而电感较大由于d i d t 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。组合外特性控制在 一定程度上弥补了以上的问题。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。 脉动送丝的方式在理想状况下能很好的解决过渡飞溅的问题，在普通的脉