减少焊机飞溅的方法

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1、减少短路过渡焊接飞溅的有效方法 减少短路过渡焊接飞溅的有效方法 清华大学 区智明清华大学 区智明 一、背景与意义一、背景与意义 短路过渡的焊接方法（包括CO2气体保护焊和熔化极混合 气体保护焊）是工业生产中一种重要的方法。 优势：效率高，全位置，低成本，薄壁工件的焊接， 冷焊，易于实现自动化。 问题：焊接飞溅大，飞溅率5%-10%，焊接飞溅会导致 焊接质量下降、降低了熔敷率，影响工件的美观、恶 化劳动条件和污染环境；国内外许多研究机构和研究 人员一直在努力寻找减小飞溅的有效途径，但是一直 没有找到有效的方法。 焊缝成形差，堆高较大。 二、焊接飞溅产生原因二、焊接飞溅产生原因 飞溅产生的主要是由

2、于当短路液桥收缩 到较细时，短路电流密度比较大，短路 电流对液桥的迅速加热，导致液桥气化 而爆炸引起的。 引起短路液桥爆炸和飞溅的两种情况： 短路末期产生的飞溅； 短路初期产生的飞溅； 短路末期产生的飞溅 短路电流增长液桥直径变细，在短路后 期，当液桥直径收缩到较细，电流密度 达到临界值时，液桥气化爆炸，产生飞 溅。 熔滴的过渡过程熔滴的过渡过程 短路初期产生的飞溅：短路初期产生的飞溅： 在熔滴刚刚短路初期，液桥液桥直径都比较 细，如果短路前熔滴温度较高，短路电流较 大，短路刚开始就会引起液桥的爆炸和飞溅， 短路时间很短（1.2 ms以内）人们称之为“瞬时 短路”。 在短路过渡方式，由于电源特

3、性较硬，短路初 期电流比较小，熔滴温度较低，焊接的输出直 流电感限制了短路电流的增长，不会在短路初 期引起液桥的爆炸和飞溅。“瞬时短路”飞溅是 在电弧能量较大的滴状过渡焊接条件下产生的。 三、国内外研究现状三、国内外研究现状 国内外降低飞溅的方法： 1常规方法 2. 焊丝的瞬时回抽方法 3. 电流波形控制 （美国林肯） 4电流波形的寻优控制 5切换电源外特性的控制方法 6复合外特性的控制方法 7. 焊接回路串联控制器的方法 1常规方法常规方法 采用混合保护气体 优化焊机输出直流电感设计 采用电子电抗器调节电源动态特性 这些方法虽然对降低焊接飞溅有一定的效 果，但是都没有直接对液桥后期电流进行控

4、 制，所以收效甚微。现有的常规CO2焊机只 是给焊接电弧提供一个电源，缺乏对熔滴过 渡过程的实时控制。 2. 焊丝的瞬时回抽方法焊丝的瞬时回抽方法 这种方法的意图是要通过焊丝的瞬时回 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。由于液桥是低电流的条件下，用机 械力来拉断液桥 。 2. 焊丝的瞬时回抽方法焊丝的瞬时回抽方法 1.）在液桥后期适时加入机械回抽；（哈工大） 机械系统动态响应不足；焊丝在送丝软管中的 滞后（即使软管为30cm）；机械系统与液桥过 渡过程不可能同步； 2.）送丝周期回抽

5、，电流协同机械运动 （奥地 利Fronius），采用机械力来替代电磁力，实现 熔滴过渡，能够实现同步； 电流小，电流能量小，“冷焊工艺”，有商品销 售； 3电流波形控制 （美国林肯）电流波形控制 （美国林肯） 根据短路过渡电弧对电流波形的需要， 采用两组设计好的电流波形，分别控制 短路和电弧期间的电流。 波形控制方法存在的主要问题：波形控制方法存在的主要问题： 1.)由于熔滴过渡的随机性和分散性预置电流波 形难以跟每个熔滴过渡过程同步和适应； 2.)缺乏短路液桥收缩状态的准确检测，电流控 制缺乏依据； 3.)由于电流波形受控或者受到限制，影响了电 弧弧长的自调性能和稳定性； 4.)由于直流电感

6、的存在或电源动态响应不足， 难以实现电流的快速实时控制； 只能在很小的焊接电流下（焊接电流较小时， 对控制准确性和电弧自调性能的要求较低）获 得一定的效果。 4电流波形的寻优控制 这种方法主要是在电流波形控制的基础 上，根据电弧和熔滴过渡的状态，利用 计算机对电流波形参数进行修正和优化。 根据若干周期熔滴过渡的平均状态来判 断和改变后面的电流波形。 电流波形寻优控制方法存在问题：电流波形寻优控制方法存在问题： 1.） 只能实现平均控制，不可能针对每 个熔滴过渡过程进行控制，而熔滴差异 性很大，不可能有很好的效果。 因此具 有波形控制的相同缺点； 2.）由于熔滴过渡的分散性和差异性，系 统只能对

7、若干个熔滴过渡参数进行采样 和平均。系统控制的动态响应不可能很 快，否则就会出现系统振荡。 5切换电源外特性的控制方法切换电源外特性的控制方法 在短路和电弧状态，分别切换两条不同 的电源外特性，分别控制短路状态和电 弧状态。每条外特性有不同的斜率段组 成复合外特性。 该方法的问题与电流波形控制方法的问 题大致相同，只是电流不是固定波形， 而是固定的外特性。因而电弧具有较好 的弧长调节作用。这种方法的弧长自调 性能比波形控制方法好，飞溅比常规方 法小，但是没有解决根本矛盾。 6复合外特性的控制方法复合外特性的控制方法 将短路液桥收缩过程和电弧过程分成若 干个瞬时过程，根据每一瞬时过程理想 状态下

8、需要的电流、电压值，设计出相 应的理想的外特性段。并实现这些外特 性段的自动连接和自动连接和转换，构 成一条复合的电源外特性。这条复合的 电源外特性同时实现了液桥状态的检测 和控制，它可以将熔滴刚接触熔池的电 流和液桥即将要断开时的电流降到很低 的水平，把焊接飞溅降低到很小。 复合外特性的控制方法复合外特性的控制方法 复合外特性的控制方法存在问题复合外特性的控制方法存在问题 问题：它需要电源具有很好的控制性能 和很高的动态响应，成本很高；电源功 耗大。而且，对于不同焊接电流控制参 数调节比较复杂。 7焊接回路串联控制器的方法焊接回路串联控制器的方法 在焊接回路中串联控制器件，当液桥收 缩到足够

9、细时，关断器件，电流通过一 个电阻来限制，使液桥在很小的电流下 过渡。 焊接回路串联控制器的方法存在问题：焊接回路串联控制器的方法存在问题： 1、缺乏液桥收缩过程的准确检测，实施 控制时刻缺乏依据和准确性；过早控制 影响熔滴过渡，过迟则控制效果没有； 2、器件关闭时，由于焊机内直流电感的 存在，快速关断电流会引起过高的di/dt, 引起较大的过电压，危及器件的安全； 关断过程缓慢导致控制滞后和失效。 3、器件在整个焊接过程中几乎都处于导 通状态，通过全部焊接电流，器件的功 耗和成本较大 。 四、基本矛盾：四、基本矛盾： 短路液桥收缩需要较大的短路峰值电流 以便获得较大的电磁收缩力，保证熔滴 的

10、顺利过渡；但是降低飞溅必须大幅降 低短路电流峰值； 五、要有效降低焊接飞溅，必须解决 下列两个基本问题： 五、要有效降低焊接飞溅，必须解决 下列两个基本问题： 1. 必须准确准确、实时实时检测短路液桥收缩过 程液桥直径的变化，为液桥电流的准确 控制提供依据； 2. 在液桥爆断前的瞬间必须以极快的电 流下降速度将电流降到很低的设定值， 并维持到液桥的断开。 1. 必须准确、实时检测短路液桥收缩 过程液桥直径的变化，为液桥电流的 准确控制提供依据 必须准确、实时检测短路液桥收缩 过程液桥直径的变化，为液桥电流的 准确控制提供依据。 为液桥电流控制提供准确的时刻。过早 降低液桥电流会破坏液桥正常的收

11、缩过 渡过程，滞后降低液桥电流会使控制飞 溅失效。由于液桥后期的收缩是一个很 快加速收缩过程，所以要求液桥直径的 检测系统具有很高的准确性和很快的动 态响应；时间误差不能超过50微秒。 2. 在液桥爆断前的瞬间必须以极快的电流 下降速度将电流降到很低值，并维持到液 桥的断开 在液桥爆断前的瞬间必须以极快的电流 下降速度将电流降到很低值，并维持到液 桥的断开 由于液桥后期的收缩是一个加速收缩过程，后 期收缩很快，时间很短。降低电流必须在液桥 爆断前瞬间完成。由于焊接电源动态响应较 低，且串接有直流电感，短路期间焊接回路的 时间常数很大，采用常规的方法获得的电流下 降速度离要求相差甚远。必须采用特

12、殊的方法 取得极快的液桥电流下降速度，才能在液桥即 将爆断的瞬间，将电流快速降下来，避免液桥 的爆炸和飞溅。 六、新方法的主要特点和工艺效果六、新方法的主要特点和工艺效果 新方法能成功地基本上消除了短路过渡的焊接 飞溅。比国内、国外任何公司的同类焊机的飞 溅都小得多。先后有十多家国外和国内的著名 焊机公司（包括国内、日本、美国、欧洲的著 名焊机公司）对我们的新系统进行了对比测试。 对我们的研究成果给予了很高的评价。我们与 其中部分的国内、国外公司已经签订了技术转 让合同。 与现有的方法和焊机相比，新方法具有如下的 主要特点： 1、独特的控制方法、独特的控制方法 系统能够在焊接过程中准确实时准确

13、实时地实时 监测短路液桥的瞬时直径的变化，当其 达到临界直径时，以极快的速度极快的速度将液桥 电流降到一个很低的设定值设定值，避免液桥 在大电流下爆断，能够显著大幅度降低 焊接飞溅。 可控硅焊机在新系统控制下的波形可控硅焊机在新系统控制下的波形 逆变焊机在新系统控制下的电流波形逆变焊机在新系统控制下的电流波形 2、飞溅小于世界上任何同类焊机、飞溅小于世界上任何同类焊机 在短路过渡条件下能几乎完全消除了焊 接飞溅，对比效果十分明显，飞溅小于 世界上任何公司同类焊机的飞溅。 日本焊机改造前后的飞溅日本焊机改造前后的飞溅 改造后的欧洲焊机的焊接飞溅改造后的欧洲焊机的焊接飞溅 新系统在焊接过程中新系统

14、在焊接过程中 署名的美国林肯署名的美国林肯STT焊机的飞溅焊机的飞溅 3. 可以明显提高焊接熔滴过渡频率可以明显提高焊接熔滴过渡频率 结合对焊接电源特性的控制和改善，新 系统可以明显提高焊接熔滴过渡频率。 熔滴过渡频率可达120170Hz，这也是 前所没有的。熔滴过渡频率的提高，意 味着可以实现颗粒更细小的熔滴过渡， 电弧更加稳定。而且，焊接电流波形的 一致性有了明显的提高，使得电弧的稳 定性有了明显的改善，焊缝波纹更细， 成形更加平滑光亮 新系统的焊接电流波形（新系统的焊接电流波形（130A） 4. 电弧稳定柔和，降低噪声和烟雾电弧稳定柔和，降低噪声和烟雾 新系统能够有效地改善了原来的电弧形

15、 态，使电弧更加稳定，熔滴过渡比较柔 和，减少了焊接过程的飞溅、烟雾和电 弧噪声，改善了焊工的工作条件，降低 了对环境的污染； 5. 系统可以改善焊缝外观和成形系统可以改善焊缝外观和成形。 由于消除了液桥的爆炸对熔池的冲击以 及飞溅，使焊缝表面更加光亮，比常规 的CO2 焊缝更加光滑美观。 焊缝外观与焊接成形对比焊缝外观与焊接成形对比 6. 系统可以明显增加燃弧能量，改善短路 过渡的焊缝成形和熔深； 系统可以明显增加燃弧能量，改善短路 过渡的焊缝成形和熔深； 7. 系统可以在较大系统可以在较大di/dt条件下稳定地焊 接，实现低燃弧能量的 条件下稳定地焊 接，实现低燃弧能量的“冷焊冷焊” 结合

16、电源的动态性控制，系统可以较大 幅度控制燃弧能量。能够在较大di/dt条 件下（大于130A/ms）稳定地焊接，实现 低燃弧能量的“冷焊”，成功焊接薄板或 实现低热输入的焊接； 8. 系统对焊接规范有很强的适应性， 电弧自调性能很强 系统对焊接规范有很强的适应性， 电弧自调性能很强 系统对焊接规范有很强的适应性，电弧 自调性能很强。同一电压可以适应很宽 的电流范围。如：焊接电压固定在17V， 在焊接过程中连续调节送丝速度，焊接 电流从80A变到180A，焊接过程中弧长 正常，电弧稳定。 9. 系统具有很强的适应性和实用性，没有 任何附加的检测线和没有附加旋纽。 系统具有很强的适应性和实用性，没有 任何附加的检测线和没有附加旋纽。 系统具有很强的适应性和实用性。没有 任何附加的检测线（系统利用焊接电缆 线兼作检测用途）。没有附加旋纽。对