第三章 电弧焊自动控制基础

第三章电弧焊自动控制基础2/5/20231第三章电弧焊自动控制基础第三章电弧焊自动控制基础主要讨论熔化极自动电弧焊稳定工作状态自动调节系统，拖动电机稳速调控系统以及焊接过程中先后次序控制环节。第一节熔化极电弧焊的自动调节系统第二节恒速调节系统第三节电弧焊的程序自动控制2/5/20232第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统电弧焊的焊接过程一般包括引燃电弧、焊接（送丝）和收尾熄弧三个阶段；如果借助机、电装置自动完成这些基本操作，这种焊接方法称为自动焊。一、自动电弧焊自动调节概述自动电弧焊能自动实现规定的焊接工艺程序；合理地选择主要工艺参数Ia、Ua、vW，且在整个焊接过程中稳定不变。自动电弧焊Ia、Ua的控制精度要求为±25~50A、±2V。全位置气体保护焊Ia、Ua的最高控制精度甚至达到±0.1~1.0A、±0.1V。2/5/20233第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统电弧焊过程两个最主要能量参数Ia、Ua的稳定值由电源外特性和电弧静特性曲线的交点决定。在实际焊接过程中Ia、Ua容易发生波动，原因有：使电弧静特性产生波动的外界干扰送丝速度不均匀；焊炬相对于焊缝表面距离的波动；焊剂、保护气体、母材和电极材料成分不均匀或污染物等引起的弧柱电场强度的变化。使电源外特性发生变化的外界干扰负载突变；弧焊电源内部元器件受热后发生的变化。电弧静态工作点的波动2/5/20234第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统手工电弧焊：人工调节自动焊：自动调节电弧焊的调节系统2/5/20235第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统闭环自动调节是一种反馈控制系统，被控对象(如电弧)的状态物理量反馈到输入端并与输入给定值比较，产生误差信号，再加到控制器上，随时修正被控对象调节量的大小，使其趋于期望值。反馈是闭环系统消除外界干扰的基础，没有反馈的控制系统称为开环系统。电弧焊的自动调节系统2/5/20236第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统自动电弧焊接自动调节原则：当选定的工作点由于外界干扰发生变化，既定的焊接工艺参数Ia、Ua发生波动时，调节系统迅速实施调控使其回到原工作点，从而保证焊接工艺参数的稳定。熔化极电弧焊接的自动调节系统：电弧电压反馈调节系统(闭环控制系统)等速送丝电弧自身调节系统(开环控制系统)电弧电流反馈调节系统2/5/20237第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统二、熔化极等速送丝电弧自身调节系统依靠电弧自身内反馈具有的自身调节作用来达到补偿干扰。1、等速送丝自身调节系统静特性自身调节系统静特性或等熔化曲线方程2/5/20238第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统电弧在自身调节系统静特性曲线上任一点燃烧，vm=vf，焊接过程稳定；偏离此线，vm≠vf，焊接过程不稳定。电弧的稳定工作点在自身调节系统静特性曲线和电源外特性曲线的交点。2/5/20239第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统MIG焊熔化特性曲线埋弧焊2/5/202310第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统等熔化曲线的特点：长弧细焊丝时，由于ki很大而ku很小，等熔化曲线几乎垂直于电流坐标轴，称为等电流曲线。短弧焊时，电弧等熔化曲线斜率减小，vm随弧长缩短而明显增大，ku明显增大，具有固有的自调节作用。其它条件不变时，vf增大，等熔化曲线平行向右移动；焊丝伸出长度增加，ki增大，等熔化曲线向左移动；焊丝直径增大，ki减小，等熔化曲线向右移动，而且斜率减小。铝焊丝熔化特性曲线2/5/202311第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统2、等速送丝自身调节的精度调节精度指系统调节过程结束后静态误差的大小。

弧长波动时的自身调节精度

电弧缩短时，系统的工作点O0→O1∵vm0=kiIa0－kuUa0，

vm1=kiIa1－kuUa1；Ia1>Ia0，Ua1<Ua0∴vm1>vm0=vf，于是工作点将在电源外特性曲线上从O1点向O0点恢复。如果焊枪与焊件表面距离不变，焊丝伸出长度不变，自身调节作用将使工作点回到O0而不带静态误差。2/5/202312第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统弧长波动由焊枪高度变化引起，自身调节将在焊丝伸出长度变化的条件下进行，调节过程结束后的稳定工作点将由焊丝伸出长度变化后的等熔化曲线和电源外特性曲线的交点确定，产生静态误差。2/5/202313第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统网络电压波动时的系统调节误差网络波动将使等速送丝电弧焊的工作点从O0移到O1，长弧焊将产生明显的电弧电压静态误差。短弧焊则产生明显电流静态误差。如果长弧焊采用缓降外特性电源，短弧焊采用陡降外特性电源，上述误差都将减小。2/5/202314第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统3、等速送丝自身调节的灵敏度

调节灵敏度是指调节过程的速度，速度愈快，所需调节时间愈短，系统的调节效果愈好。由于焊丝送进速度恒定，弧长干扰可借助焊丝熔化速度变化所产生的自身调节作用得到补偿，因此系统调节速度的快慢，即调节灵敏度取决于熔化速度变化量的大小。

vm=kiIa-kuUa（短弧）

或vm=kiIa（长弧）

ki和Ia是影响调节灵敏度的主要因素。

2/5/202315第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统影响调节灵敏度的因素焊丝直径和电流密度：当焊丝很细或电流密度足够大时，ki大，vm大，系统的调节灵敏度高。

电源外特性形状：电弧静特性与电源外特性的匹配将影响调节过程中Ia的大小。一般（长弧焊）采用缓降或平特性，甚至上升特性电源。

弧柱的电场强度E：E越大，弧长变化时引起的Ia和Ua越大。

电弧长度：弧长足够短时，Ku明显增大，即采用恒流电源，电弧自身调节作用仍然十分灵敏。2/5/202316第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统4、等速送丝熔化极电弧焊的电流、电压调节方法长弧焊：自身调节曲线几乎垂直于电流坐标轴采用缓降、平或微升特性电源

Ia通过送丝速度调节，Ua通过电源外特性调节。短弧焊：自身调节曲线右拐采用陡降外特性电源Ia、Ua调节分别由电源外特性、送丝速度来实现。2/5/202317第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统三、电弧电压反馈调节系统主要用于变速送丝并匹配陡降特性焊接电源的粗焊丝熔化极自动电弧焊。1、调节原理及调节器调节原理：以Ua为被调量，vf即为操作量，即vf=f(Ua)。当弧长由于外界干扰增大(缩短)时，Ua增大(减少)，vf增大(减少)，从而迫使弧长回到原来长度，保证焊接工艺参数稳定。2/5/202318第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统调节器结构发电机-电动机系统vf≈k（Ua-Uc'）晶闸管-电动机系统vf≈k（Ua-Uc）电弧电压调节器的静态特性方程电弧电压调节器的静态特性方程电弧电压调节器的静态特性方程电弧电压调节器的静态特性方程2/5/202319第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统2、电弧电压反馈调节系统的静态特性该直线上所有点满足vf=vm，并与电源外特性相交确定系统的稳定工作点；k足够大，tanβ→0，系统静特性接近于平行电流坐标轴；Uc增加，系统静特性平行上移；焊丝直径减小、焊丝伸出长度增大，ki增大，tanβ增大，系统静特性变陡；焊丝材料和保护条件的影响。电弧电压调节系统的静态特性2/5/202320第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统3、电弧电压反馈系统调节精度焊丝伸出长度不变、弧长波动，调节过程不带静态误差。2/5/202321第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统焊枪高度变化使弧长波动时，ki变化，调节过程带有静态误差；ki很小，k很大，影响不大。电网电压波动时电弧电压误差很小，焊接电流误差显著，宜采用陡降外特性。2/5/202322第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统4、电弧电压反馈调节系统灵敏度系统调节灵敏度主要取决于弧长变动时送丝速度变化量vf的大小：

vf=kUa且Ua=Elak值越大，调节器灵敏度越高。但由于系统的机电惯性，k值过大则容易产生振荡。弧柱电场强度越大，同样弧长变化引起的Ua越大，调节灵敏度也越高。2/5/202323第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统5、电弧电压反馈熔化极电弧焊的电流和电压调节方法系统静特性曲线为近乎平行于电流轴的直线；电源通常采用陡降外特性；调节电源外特性即可改变焊接电流，调节送丝给定控制电压（平均送丝速度）则可改变电弧电压。2/5/202324第三章电弧焊自动控制基础第一节熔化极电弧焊的自动调节系统两种调节系统的比较返回长弧焊情况，短弧焊类似弧压反馈调节系统2/5/202325第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统（自学）驱动主电路多为晶闸管可控制整流电路，脉宽调制开关管驱动电路具有更宽的调节范围和更高的调节精度，其应用正在逐步扩大。一、晶闸管可控制整流驱动电路常用的转速自动调节方法：电枢电压负反馈、电枢电流正反馈、电势负反馈。2/5/202326第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统（一）晶闸管整流驱动电路中的反馈环节2/5/202327第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统电枢电压负反馈2/5/202328第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统电枢电压负反馈和电枢电流正反馈2/5/202329第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统电势负反馈2/5/202330第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统（二）改善晶闸管整流驱动电路动态品质的措施

1、消除振荡电动机电枢为感性负载，驱动系统具有机械惯性，系统出现不规则振荡。措施：（1）减小调节器中的放大倍数或在带有正反馈的系统中减小正反馈量。（2）引入或调整局部负反馈或积分环节，如增大电枢电压负反馈和电流正反馈晶闸管驱动电路中的C1。2/5/202331第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统（3）加入电枢电压或电势微分负反馈2/5/202332第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统2、限制起动冲击起动瞬时电机转速为零，负反馈信号为零，晶闸管全导通，使电动机起动电流和转速产生很大的冲击值，前者损坏电机和晶闸管，后者使引弧不可靠或引弧点熔深不足。解决办法：（1）在信号输入端加积分环节，如增大电枢电压负反馈和电流正反馈晶闸管驱动电路中的C1。2/5/202333第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统（2）加入电流截止负反馈电流截止负反馈环节2/5/202334第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统二、脉宽调制式开关管驱动电路

晶闸管驱动电路中直流电动机在脉冲供电状态下工作，发热比较严重，必须降低使用功率；波形不连续，低速稳定特性差。晶闸管驱动系统响应速度慢，控制周期长，当电网电压和负载力矩在较大范围内波动时，补偿能力差。主电路

2/5/202335第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统脉宽调制电路2/5/202336第三章电弧焊自动控制基础第二节恒速调节系统返回2/5/202337第三章电弧焊自动控制基础第三节电弧焊的程序自动控制电弧焊的程序自动控制是指自动焊接设备的各个部件、各种功能进入指定工作状态的先后次序控制。一、程序自动控制的对象和要求主要对象：弧焊电源送丝电动机行走小车或移动焊件的驱动电动机输送保护气体或离子气的电磁气阀高频或脉冲发生器焊枪或焊件定位驱动电机、焊件定位夹紧气阀、焊剂回收泵等。2/5/202338第三章电弧焊自动控制基础第三节电弧焊的程序自动控制基本要求：提前送气或滞后停气可靠地一次引燃电弧

引弧控制方式：爆裂引弧、慢送丝引弧、回抽引弧、高频或脉冲引弧顺利地熄弧收焊

控制方法：焊丝返烧熄弧、除球熄弧、电流衰减熄弧、电弧后退熄弧焊接过程参数的程序控制2/5/202339第三章电弧焊自动控制基础第三节电弧焊的程序自动控制自动电弧焊的程序循环图U-电弧电压I-焊接电流vf-送丝速度vW-焊接速度Q1-保护气体流Q2、Q3-离子气体流UH-高频引弧电压钨极氩弧焊熔化极气体保护焊埋弧焊专用CO2自动焊脉冲钨极氩弧焊等离子弧焊2/5/202340第三章电弧焊自动控制基础第三节电弧焊的程序自动控制二、程序自动控制的转换和实现方法

电弧焊的程控除接受必要的人工操作指令，如启动、停止、急停外，其余程序转换都无须人工参与而自动实现。

转换方式：

时间转换：按时间间隔进行程序转换。保护气体提前、滞后，焊丝返烧熄弧皆属此类。

行程转换：以空间距离为程序转换条件。焊缝终点时自动熄弧，焊枪自动返回等即用此法实现。

条件转换：以电弧引燃或熄灭、焊件装夹定位、焊轮运动位置等特定条件实现转换。2/5/202341第三章电弧焊自动控制基础第三节电弧焊的程序自动