短路過渡電弧的穩(wěn)定性

1、焊接 2 0 0 6 ( 5 )· l 5·短 路 過 渡 電 弧 的 穩(wěn) 定 性①華南理工大學(xué)( 廣州市 5 1 0 6 4 1 )向遠(yuǎn)鵬 曹 彪 黃石 生摘要 論述了 c O氣體保護(hù)電弧焊短路過渡過程的機(jī)理和飛濺成因， 分析了當(dāng)前提高短路過渡電弧穩(wěn)定性的 主要控制方法及其利弊， 介紹了用混沌控制理論來改善短路過渡電弧穩(wěn)定性的方法和已取得的進(jìn)展及提高短路過 渡 電弧穩(wěn)定性的控制方法 的發(fā)展 趨勢。關(guān)鍵詞 ： 短路過

2、渡 穩(wěn)定性 飛濺 混沌控制 S TABI LI TY oFTHE S HoRT． CI RCUr r I NG TRANS F ER ARC S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yXi a n gYu a n p e n g，Ca oBi a o，Hu a n gS h i s h e n gAb s t r a c tT h ep a p e rd

3、 i s c u s s e dt h eme c h a n i s m o ft h es h o r tc i r c u i tt r a n s f e rp r o c e s so fC O2g a s - a r cwe l d i n ga n dt h ec a u s eo ft h es p a t t e r ．S e v e r a lma i nme t ho d su s e dc u r r e n

4、t l yt oi mp mv et hes t a b i l i t yo ft h es h o r t — c i r c u i t i n gt r a n s f e ra r ew e r ed e s c r i b e d ．t hea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s eme t ho d swe r ea ls oa n a ly

5、z e dr e s p e c t i v e l y ．C h a o sc o n t r o lt h e o r e m w 舳 u s e dt oi mp r o v et h es t a b i l i t y，t hea c h i e v e me n to f~ s h i c hwa sa t t ai n e di nt h i sf i e l d ．T h ed e v e l o p me n tt

6、r e n do ft h ec o n t r o lme t h o d so fi mp r o v i n gt h es t a b i l i t yo fs h o r t— c i r c u i t i n gt r a n s f e ra r c , w a si n d i c a t e d ．Ke ywo r d s ： s h o r tc i r c u i tt r a n s f e r ， s t

7、a b i l i t y， s p a t t e r ，c h a o sc o n t r o l0 前 言 弧穩(wěn)定性 的目的。短路過渡 C O氣體保護(hù)電弧焊是一種重要的熔化 焊方法 ， 廣泛應(yīng)用 于低碳鋼和低 合金鋼等黑色金屬材 料的焊接 ， 適用于薄板焊接和全位置焊接 ， 而且抗銹低 氫 ， 高效節(jié)能。C O氣 體保護(hù)電弧焊 的主要缺 點(diǎn)是短 路過渡電弧不穩(wěn)定， 飛濺較大， 這不但會降低焊絲的熔 敷系數(shù) ， 增加焊絲和電能

8、 的損耗 ， 降低焊接生產(chǎn)率 和增 加焊接成本 ， 而且飛濺金屬會粘著到導(dǎo) 電嘴端 面 和噴 嘴內(nèi)壁上 ， 引起送 絲不暢 ， 使 電弧燃 燒不穩(wěn)定 ， 降低保 護(hù)氣體 的保護(hù)作用 ， 惡化焊縫成形 質(zhì)量 ， 影響工件 的美 觀 ’ 。 。對此人們提出了各種控制措施來穩(wěn)定 C O ： 短路過 渡電弧 ， 這些方法主要涉及材料 、 工藝和參數(shù) 以及電源 特性等三個主要方面 ， 以充分適應(yīng)熔滴短路過渡機(jī)理，從而達(dá)到降低飛濺、 改善焊縫成形

9、和提高短路過渡電① 國家 自然科學(xué)基金 資助項(xiàng) 目( 5 0 3 7 5 0 5 3 ， 5 0 5 7 5 0 7 7 )1短路過渡過程的機(jī)理 C O ， 焊短路過渡周期大致經(jīng)歷燃弧 、 短路 、 液橋縮 頸和脫落以及電弧復(fù)燃四個階段。燃弧 階段 電弧呈短 弧 ， 這時焊絲末端金屬被加熱熔化并形成熔滴 ， 因?yàn)殡娏餍?， 熔滴尺寸不能很快長大。由于弧隙小 ， 當(dāng)熔滴尚未開始長大時熔滴表面就 和熔池表面接觸 ， 形成短路 小橋。這時電弧

10、 瞬時熄滅 ， 短路 電流迅 速增長。形成 小橋后 ， 由于短路 電流形成的 電磁力 及小橋與熔池接 觸處表面張力 等的聯(lián)合作用 ， 使小橋在焊 絲末端逐漸 形成縮頸， 最后 使小橋在縮 頸處 斷裂并 向熔 池過 渡。之后焊絲末端與熔池表面間又出現(xiàn)小 間隙 ， 此時若 電 弧 電壓恢復(fù)速度足夠快 ， 就會重新引燃 電弧 ， 到此就完 成 了一次過渡周期。維普資訊 http://www.cqvip.com 焊接 2 0 0 6 ( 5 )

11、· 1 7 ·燃弧狀態(tài)檢測電路 ， 送絲機(jī)調(diào)速及時序控制系統(tǒng) 。其 短路 電流波形示意圖如圖 2所示【 9J 。3 ． 3 ． 2 并聯(lián)式 I G B T波形控制 文獻(xiàn) [ 1 O ] 提 出了一種并聯(lián)式 I G B T波形控制 器。該波控器的主要設(shè)計(jì)思路是對 常規(guī) C O ， 焊短路過 渡過 程電弧電流進(jìn)行局部 削波抑制 ， 控制短路電流上升速 度和短路電流峰值 ， 從而降低焊接 飛濺率 。此削波作 用相當(dāng)于在常規(guī)

12、短路 電流波形上迭 加一 負(fù)電流脈沖 ，通過微機(jī)程序?qū)崟r控制電流波形 ， 調(diào)節(jié)負(fù)電流脈 沖參 數(shù)的幅值 、 寬度與發(fā)生時刻 ， 即負(fù)脈沖可迭加在短路 電流波形的選定時刻處 ， 脈寬與 幅值均 可調(diào) 。圖 3為并 聯(lián)式電流電壓波形控制示意圖。OO廠一Ot lt 2t 3t 4t 5時 間 t ／ s圖 2 短路 電流波形示 意圖＼ ．一廣 ＼_ —— 一i一時間 t ／ s圖 3 并聯(lián)式 電流電壓 波形控 制示 意圖3 ． 3 ． 3 表

13、面張力過渡法 L i n c o l n電氣公司 E l l o i o t ． k ． S t a v a 于 1 9 9 3年提 出了一種“ 表面張 力過 渡 (S r r r ) ” 的控制方 法 ， 波形 如 圖4 所示。s T T法將熔滴過渡過程分為7段并分別控 制電流變化。焊接電源燃 弧過程 中輸出的基值 電流為 5 0 ～ 1 0 0A ， 基值電流產(chǎn)生并維持一個 1 ． 2 倍于焊絲直 徑的球狀熔滴 ， 短路發(fā)生后電流迅

14、速降到 1 OA， 大約 0 ． 7 5m s 以后 ， 施加一脈沖迅 速提高短路電流以產(chǎn)生 軸 向的電磁收縮力 ， 加速熔 滴 的收縮過程 ， 在液相橋 產(chǎn)生收縮至破斷過程 中， 檢測 電壓變化率 ，當(dāng)其達(dá)到 某一閾值時表明破斷 即將發(fā)生 ， 此時迅速降低 電流到 5 OA， 使短路小橋在重力 和表 面張力 的作用 下斷 開，重新引燃 電弧。試驗(yàn)結(jié)果表 明， 這種控制方法在小參 數(shù) ( 1 0 0A )焊接時， 焊接飛濺顯著降低『 l

15、。O≤堰 O＼t lt 2t 3t 4t st 6t 7時間 t ／ s圖 4 表面張力過渡( s y r ) 法 電流電壓 波形 圖3 ． 3 ． 4 能量控制 這種方法的核心思想在于通過電源輸出合適的電 流、 電壓波形 ， 從而控制調(diào)節(jié)熔滴 的能量來達(dá)到減小飛 濺 的目的。在熔滴剛開始短路的一小段 時間內(nèi)將 電流 從基值調(diào)節(jié)到某一定值， 使焊絲可靠插入熔池， 接著發(fā) 出高能脈沖電流， 促使短路小橋頸縮， 然后小橋斷裂分 離 ， 將電