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1、第九次全国焊接会议论文集 关于C 0 2 焊机动特性的研究 北京工业大学殷树言 黄鹏 飞 卢振洋 北京时代集团总公司段红海 李力 摘共 本文对C 0 2 焊短路过渡丁艺 特点进行了分 析t 指出了 传统C 0 2 焊机的不足. 在新型的I G B T 逆变电源的基础 匕 研制了一台C 0 2焊气体保护焊机，并进行了T艺实验。石此基础上提出f新的C 0 2 焊电源的动特性指标。 关，饲:C 02气体保护牌、短路过渡、动特性 0前官 C 0 2焊短路过渡中不断的重复燃弧一 短路一 燃弧的过程。所以焊丝的熔化过 程、熔滴过渡过程和熔池行为都发生周期性的改变， 负载的变化是十分激烈的， 对电源 有较高
2、的要求， 也就是说要求电源的动特性适应负载的变化特点， 以便获得稳定的焊接 过程，较小的焊接 吃 溅及 良好的焊缝成形。本文就这些问题进行了探讨。 C 0 2 焊接电 源动特性 关于电源动特性的定义为:对 F一定弧K的电弧，当电弧电流发生连续的快速变 化时，电弧电压与电流瞬时值之间的关系。用以表征对负载瞬变的响应能力。 最初电源动特性指标有三项: 1 . 生一 短 路 电 流 上 升 速 度2 . 工 s 。 一 短 路 峰 值 电 流 。 d u o 一短 路 到 燃 弧 的 d t 电源电压恢复速度 随着电源技术的进步，反映电源动特性的具体指标也随着发生了改变。上述动特 性指标已不再合适，
3、本文将提出新的看法。 2 晶闸 管整流电弧焊机的动特性 最初，C 0 2焊机为旋转直流弧焊机。因其电磁惯性大，所以细丝 C 0 2焊的 C . 艺性 不好， 由 短路到燃弧的电 源电压恢复速度过低卜 从而影响电弧再引燃。 因此解决动 特性 问题的出发点是如何降低旋转焊机的电磁惯性。 当硅二极管和晶闸管出现后，大功率松流焊机问世。该机的电磁惯性很小，于是 在短 路 过渡 焊 接 时， d i s / d t 和 I s 。 均 很大 ， 而 引 起 较大飞 溅 ， 焊 接 过 程 十 分 爆 燥。 为 此， 必 须 在 电 路中 串 入 铁 磁电 感 来调节 动 特 性。 电 感 小 时 ，d
4、i , . / d t 较 大， I s 。 也 较 大， 2 3 5 .刀月.J1!一 第九次全国焊接会议论文集 反 之电 感 大 时，d i , / d t 较 小， I s 。 也 较 小 前 者电 弧 爆 燥，一 屹 溅 较 大 ， 而 后 者t 溅 较 小 ， 过 程 稳 定 但 是当 电 感 过 大时 ， 由 于d i , / d t 太 小， 而 引 起 焊丝 固 体 短 路! 这 将引 起 更大的飞溅和破坏焊接过程稳定性。 另外，电 感还影响焊缝成形， 电感合适时， 焊缝 成形美观， 而电 感较小a vr . 焊缝呈窄而高 状。 通常整流焊机的直流电 感根据焊机的额定 甩流来选
5、择， 对于某台焊机来说， 铁磁电 感是固 定的， 于是，当 焊丝直 径或焊接电 流改 变时， 电 源的动特性 抓# 不是工艺要求的最佳状态。 改变电源电 压能改变焊接电 流和调 节电 源动特性。 适当的降低 短路电压， 可以 使短路电流上升速度减小， 减小飞 溅， 而且 可以 相对的提高燃弧能量， 改善焊缝成形。 但由于晶闸 管焊整流焊机I : 作频率太低， 所 以控 制精度并不高。 总之，整流式 C 0 2焊机存在以下问题。 1 引弧成功率 低。为 减小飞 溅而增大电 感， 这将不利于引 弧。 2 .正常 短路的飞 溅 通过调节动特性可以得到控制。 而瞬时短路是随机性很强的过程， 常常产生较
6、大的飞 溅且多为大颗粒状。3 . 整流焊机大多 采用三相整流， 其工作频率仅为 3 0 0 H Z ，与短路 过渡频率相近，所以控制精度较低。 3 逆变式C 0 2 坏机的动特性控制 逆变式C 0 2 焊机的 r . 作频率为 2 0 K H z左右， 大大提高了电源的动态响应能力。 C 0 2 短路过渡焊的频率一般为数十赫兹，远低于逆变电源的工作频率。所以， 逆变电源有可 能针对短路过渡的不同阶段的不同特点分别予以控制， 但这仅仅提供了一个 良好的基础 条 件，却不能保证逆变焊机具有良 好的动特性。 1 C 0 2 焊的L艺特点 为实现低飞溅和良 好的焊缝成型，先研究短路过渡过程。在短路初期
7、， 熔滴和 熔 池之间会形成小桥，由于其直径很小，电磁收缩力的作用将阻碍熔滴过渡. 所以此时应 抑制电 流的上升， 使其保持在一较低值， 以 利于熔滴在熔池表面摊开， 而且如果 此时电 流上升太快， 将会使熔滴排开或使小桥爆断， 形成瞬时短路， 产生大滴飞溅。 当 熔滴摊 开之后， 使电 流迅速上升， 以加速形成颈缩。 为减小短路飞 溅， 应使短路峰值尽可能小， 所以 后期的电流上升速度应减小， 而在燃弧期间， 为了 改善焊缝成形， 应当 提高 燃弧能 月 毛o 2 逆变式C 0 2 焊机的控制方案 针对短路过渡的 特点，C 0 2焊接电 源的动 特性可以 利用不同的方式进行控制。为 了 充分
8、利用逆变电 源工作频率高， 响应速度快的的 特点， 合适的电流变化率应当 通过控 制电路来实现，即采用电子电抗器控制方式。 本机采用电流电压双环控制的方式实现电 子电抗器功能。 此时电流环时间常数很小， 可以近似的看作比例环节。 电流给定变化后， 输出电流也随之变化，几乎没有延时。 由于短路和燃弧时 对电流的要求不同， 而逆变电源的响应速度又 足够快， 所以 有 可能分别对它予以 控制，即短路及燃弧分状态控制法。 关于状态控制法详述如 卜 : 2 一2 3 6 第九次全国焊接会议论文集 ( 1 ) 短路控制 当判断焊接过程处于短路状态时，使电流给定信号沿某一设定曲线上升，从而控 制电流的上升速
9、度，实现短路时的电子电抗器作用口 当短路发生 后，电流并不立即 上升， 而是滞后一段时间。 这样可使短 路初期电流 保持在一较低的 水平， 熔滴可以 柔顺的 与熔池接触并 摊开。 此后短路电 流快速上升， 不 会产生瞬时短路，却有利于形成颈缩。之后使电流沿一斜率较小的直线上升，则可以在 短 路峰值电 流不太高的情况下，发生小 桥爆断而减小正常短路飞 溅。其波形如图 1所 示。 实验表明， 采用这种短路控制方式， 可以 有效的 抑制瞬时短路。 焊接过程中几乎没 有大滴 匕 溅，焊后工作表面清洁，勿需清理。 1 . 0 0 v / r 1 2 V . U 卜 厂 份行 广 份 日 甸秘 汗 ” ”
10、 1. ” 叫” 卜” 卜 ” 幸 ” 卜 “ 卜 ” +丁!工 图1 逆 变C 0 2 焊 机T . 作 波 形 U : I O V I d i v 1 : 1 0 V l i v ( 2 )燃弧控制 为了提高燃弧能量.改善焊缝成形.这里也采用电子电抗器的方式，控制燃弧电 流的 F 降速度。其结构如图 2 所示: U o ( s ) 目 丘甲 U g ( s ) 图 2 带电子电抗器的恒压电源结构图 由图可得: 1 U o =B 2=K U :一玉一 S 十 I T S + l K, K, B , R 由上式可知，在控制电路中串入一积分环节 ( 1 ) 则其传输函数和传统晶闸管整流式 2 3
11、 7 一1!IJ，weweee 第九次全国焊接会议论文集 焊机的传递函数形式完全相同的。 适当的调节参数， 可以 使它们具 有完全相同的动态性 能， 此即为电子电 抗器控制。 晶闸管整流焊机通过铁磁电感的贮能作用调节能量分配， 而 逆变电 源的电 弧能 量完全由 电源实时供给。 采用这种短路控制方式， 系统具有良好的 自 身调节作用。 而且电流的下 降速度可以 控制， 保证足 够的燃弧能量. 所以 熔滴过渡平 稳，焊缝成形美观。图1 所示为逆变式C 0 2 焊机的工作电流电压波形。 一般来说， 我们希望提高燃弧能 量。以利于 熔滴过渡和改善焊缝成形，所以， 燃 弧阶段的电源动特性 应使电 流下
12、降 较缓， 且一旦 确定就不再改变。 而不同的焊丝直径对 应的最佳短路电流上升速度各不相同，所以短路时的电源动特性应适当可调。 4 工艺实验结果 为了 验证该逆变焊机的工艺性能，我们将其和常规晶闸管焊机， 芬兰肯比公司 的 逆变焊机进行了对比 1 一 艺实验。得到了如下数据。 表 1 三种焊机 艺实验对比 频 率瞬 时短 路 2 1 0 A / 2 3 V 1 3 0 A / 2 0 V 2 1 0 A / 2 3 V 短路初期 电流 上升 未上升 未上升 5 弓心nUn n门六妇训 O口 亡刁月乙5 一了n凸亡d 1 3 0 A / 2 0 V 晶闸管整流焊机1 1 0 K E M P P
13、I 4 5 TI M E 1 1 0 表2两种焊机 飞 溅率对比 电流8 5 晶闸管焊机 T 工 M E焊机:. : 1 2 0 1 4 0 1 7 0 2 0 0 2 5 0 4 . 6 4 . 8 5 . 5 6 5 7 . 2 3 . 2 3 . 6 3 . 1 7 3 . 3 3 . 6 注晶闸管焊机的飞溅率用收集法测得，T I M E 焊机的飞溅率用称重法测得. 实验表明，传统晶闸管焊机小电流时较好，而在中等规范时瞬时短路较多，飞溅 较人。 芬兰K E M P P I 短路初期抑制电流上升， 所以 瞬时短路也很小， 但其过渡频率较低， 而本文研究的T I M E焊机，在各个规范 卜
14、的过渡都比效稳定，瞬时短路少，短路峰值电 流小.有效的控制了飞 溅，燃弧能量充足，焊缝成形美观口 5 讨论 1 . 焊接辞典中关于电源动特性的概念是不全面的，只强调了电弧电流与电压相互 间适应变化的快速性，而对于负载变化的适应性缺乏明确的规定。 2电源输出电流与电压适应负载变化的能力是由以下两个方面决定的，一方面取 决于电 源本身的工 作频率， 烦率高， 适应性强。 另一方面电 源的输出伏安特性应根据负 载变化进行相应的变化，以 获得最佳的工艺效果。 3 . 适于C 0 2 短路 过渡的弧焊电 源应具有如下条件:( 1 ) 短路初期能抑制电流上 升 速度，以减少瞬时短路。 ( :?) 短路电流开始上升后，初速度应较大，以利于 迅速形成 颈缩。 ( 3 ) 短路后期电 流上升 速度较慢，使短路峰值电 流小， 以减小 t 溅。 ( 们 燃弧 电 流 卜 降速度应较缓，保证足够的 燃弧能9 , 4 . 由于电力电子技术的进步，关于焊机动特性的概念也应发展。 2 38
