Z4-2第四章 电弧焊自动控制基础

4.2电弧焊的自动调节系统

焊接参数是焊接时为保证焊接质量而选定的各项参数的总称。其中最重要的参数是焊接电流、电弧电压和焊接速度。这些参数在焊接过程中能否始终保持恒定，不仅影响到焊丝熔化和熔滴过渡、母材熔化和焊缝形成等过程，而且影响到焊缝的最终质量，包括焊缝成形、焊缝的组织和性能，以及有无缺陷等。因此，保持电弧焊参数恒定也是电弧焊自动控制的重要内容。

4.2.1自动调节的必要性及原理

1.自动调节的必要性

在焊接过程中保持焊接速度不变相对比较容易，可以通过在直流电动机驱动电路中加入电枢电压负反馈、电枢电流正反馈等反馈环节来校正由于网路电压和驱动负载阻力矩波动而造成的转速变动。而保持焊接电流和电弧电压始终不变则比较困难，这是因为在焊接过程中经常要受到外界各种因素的干扰而导致焊接电流和电弧电压偏离预定值。因此，在这里主要讨论关于焊接电流和电弧电压的自动调节问题。关于焊接速度自动调节问题，读者可参考有关电力拖动自动控制方面的书籍。

电弧稳定燃烧时的焊接电流和电弧电压是由焊接电源的外特性曲线和电弧静特性曲线的交点决定的。如图4—11所示的0点所对应的电流和电压值即是稳定燃烧时的焊接电流和电弧电压，0点称为电弧稳定工作点。但是在焊接过程中，一些外界干扰或者使电弧静特性曲线变化，或者使电源外特性曲线变化，这些都使电弧稳定工作点发生变化。干扰因素可以分为两类：

(1)使电弧静特性发生变化的外界干扰

主要有：由于焊件表面起伏不平、坡口加工或装配不均匀、焊道上有定位焊缝、焊丝打滑等引起的电弧长度的变化；由于焊剂、保护气体、母材和电极材料成分不均匀，或有污染物等引起弧柱电场强度变化而使电弧静特性发生变化等。电弧静特性变化必然使焊接电流和电弧电压发生变化，例如当电弧缩短时，电弧稳定工作点从0点移到01点，如图4-11所示。

图4-11 电弧静特性变化引起的焊接参数变化

(2)使电源外特性发生变化的外界干扰

主要有：大容量电气设备(如电阻焊机，大功率电动机等)突然起动或切断造成的电网电压波动；弧焊电源内部的电阻器件和电子元件受热后使其输出发生波动等。电源外特发生变化也引起电弧工作点变化，如图4-12中的01点所示。

实际焊接中，上述干扰是不能避免的。自动弧焊机只有具有自动调节系统，才能消除或减弱干扰所带来的不利影响。

图4-12 电源外特性变化引起的焊接参数变化

2.自动调节的基本原理

在上述各种干扰中，使弧长发生变化的干扰影响最为突出，发生也最为频繁，因此，电弧焊自动调节的主要目标是克服因电弧长度变化引起的焊接参数的波动。

在人工操作的焊条电弧焊时，焊工是利用自己的眼睛观测电弧长度的变化，通过大脑分析比较，然后指挥手臂来克服弧长的波动的，如图4—13所示。

图4-13焊条电弧焊的人工调节系统

那么自动电弧焊时如何克服弧长的波动呢？还需要从决定电弧长度的根本因素说起。电弧的长度是由焊丝的熔化速度和焊丝的送进速度共同决定的。如果焊丝的熔化速度Vｍ始终等于焊丝的送进速度Ｖｆ，即Vｍ＝Ｖｆ，处于平衡状态，电弧长度保持不变；而如果焊丝的熔化速度Vｍ大于焊丝的送进速度Ｖｆ，电弧长度逐渐拉长，直至熄灭；如果焊丝的熔化速度Vｍ小于焊丝的送进速度Ｖｆ，电弧长度逐渐缩短，直至焊丝插入熔池而熄弧。因此，要想使电弧稳定燃烧，并且弧长保持不变，必须使焊丝的熔化速度Vｍ等于焊丝的送进速度Ｖｆ，这是一个必要的条件。由此，使我们了解到可以通过两种方法使受干扰的电弧恢复到原来的长度：一个是当弧长发生变化时，通过自动调节焊丝的熔化速度，使其等于焊丝的送进速度；另一个是当弧长发生变化时，通过自动调节焊丝的送进速度，使其等于焊丝的熔化速度。

正是依据以上基本原理，发展了几种电弧焊自动调节系统，如电弧自身调节系统、电弧电压反馈调节系统、焊接电流反馈变速送丝调节系统等。其中，电弧自身调节系统的特点是：采用开环控制，送丝速度预选后在焊接过程中保持恒定不变，当弧长变化时，依靠电弧的自身调节作用调整焊丝的熔化速度，使其重新等于焊丝送进速度，从而恢复电弧长度。电弧电压反馈调节系统的特点是：采用闭环控制，当弧长发生波动而引起电弧电压变化时，将此变化量(或其一部分)反馈到自动调节系统的输入端，强迫改变送丝速度，使其重新等于焊丝熔化速度，从而恢复电弧长度。