CO2 焊的波形控制技术

收稿日期:2007206228
*光机电装备技术北京市重点实验室开放课题,项目号:KF200604。

第15卷　第3期2007年9月
北京石油化工学院学报
Journal of Beijing Instit ute of Pet ro 2chemical Technology
Vol.15　No.3Sep.2007
CO 2焊的波形控制技术的研究进展*
俞建荣1　龚永飞1,2　蒋力培1　邹　勇1
(1　北京石油化工学院,北京102617;2　中国石油大学(北京),北京102200)
摘要　通过及时控制焊接电流大小可以有效克服CO 2焊的焊接飞溅大、焊缝成形差、熔
深浅的问题。

介绍了国内外主要应用的CO 2焊波形控制法,包括传统的波形控制法和新型波形控制法。

重点介绍了基于实时调整的波形控制技术。

并指出波形控制技术向更精细化、动态化的方向发展。

关
键
词　波形控制法;CO 2焊;熔滴过渡;发展趋势
中图法分类号　T G 44413
CO 2焊具有低成本、高效率的特点,是一
种易于实现自动化的焊接方法。

在汽车、集装箱等薄板金属结构件焊接工程领域有广泛的应用。

传统CO 2焊机在应用中有三个比较突出的缺点是飞溅大、焊缝成形差、熔深浅[123]。

国内外焊接工作者在对熔滴短路过渡机理深入研究的基础上,认识到焊接电流和焊接电压不仅是电弧现象的信息载体,也是弧焊过程可控变量[4],由此提出了焊接电压电流的波形控制法。

近年来,电子电力技术和计算机技术的发展,极大地推动了波形控制法的发展[5]。

短短20年间,波形控制法从粗略控制到精细控制,从准确控制到动态调整,取得了突飞猛进的发展[6]。

目前基于逆变技术的CO 2焊波形控制法,增加了对焊接状态的检测和动态调整,增强了焊机的适应性,使得操作更加方便。

1　传统CO 2焊波形控制法
在CO 2焊波形控制法发展早期,研究人员认为飞溅率与电源的动态性有直接关系,因此
采取了控制电流上升率和瞬时短路电流的方法限制输出电感的大小。

这种方法对飞溅的控制效果是有限的,试验表明,最好的飞溅率也在40%以上[6]。

文献[7]和文献[8]是对传统波形控制法的改进方案,提出了并联削波的方法。

图1为系统示意图。

该系统利用微机的快速反应能力,在短路过渡阶段叠加一负电流脉冲。

降低了电流上升率和瞬时短路电流。

该系统大幅度降低了CO 2焊机的飞溅率。

这种控制方法实质上发展了电子电抗器的概念。

t 0,Δt ,ΔI 分别为波形控制发生的时间、宽度和幅度。

图1　并联式波形控制
2　新型CO 2焊波形控制法
211　精细电流波形控制法
逆变弧焊电源的问世为实现CO 2焊波形控制的精细化提供了物理条件[9210]。

精细化控制的特点是将焊接周期分段控制,针对每个阶段的焊接特点,实施不同的控制方案[11212]。

国外比较有代表性的是林肯公司Stava Elliott K 提出的ST T (表面张力过渡)波形,国内的研究人员也提出了许多精细电流波形控制方法[13217]。

图2为ST T 的电流波形控制原理图[18]。

ST T 技术成功解决了小电流情况下焊
接飞溅大的问题。

由于该技术只能在小电流下进行,必然带来熔深浅的问题,影响工程的应用推广。

图2　ST T 的控制电流波形原理
212　能量控制法[19]
针对CO 2焊飞溅大和焊缝成形差的缺点,有学者提出了能量控制法。

这种控制法的核心思想是以熔滴能量为基础,通过对熔滴过渡过程中电流波形的相关参量的调整来控制熔滴能量。

以达到减小飞溅的目的(见图3)。

其控制原理如下:在熔滴刚与熔池接触时,将电流调到一特定值,并延时一段时间,使得熔滴在熔池中均匀铺展开来。

接着快速给出短路峰值电流,促进液桥颈缩然后分离。

随即电弧重新引燃,系统给出燃弧峰值电流快速熔化焊丝。

根据所需熔滴大小,控制燃弧峰值持续的时间,接着转向燃弧基值控制,一直到短路阶段的到来,完成一次熔滴能量控制。

图3　能量控制法波形
213　焊接波形的动态性控制
精细电流控制法和能量控制法是在对焊接过程的分析基础上进行的开环控制。

焊接过程复杂多变,输出的电流波形总会与实际的焊接过程有偏差。

动态性控制的方法是:通过对焊接过程的实时监测,并对输出的波形进行自动调整,达到输出波形自然符合焊接过程的目的。

目前对焊接电流波形进行动态性控制的方法主要有电流幅值调整、阶段电流持续时间调整和不同过程交替周期调整。

图4提供了一种通过调节电流幅值对基本电流波形进行动态调整的方法[20]。

在这套系统中,通过电流反馈环将基本电流波形的幅值与实际电流幅值进行比较,然后对偏差进行输出波形的幅值修正。

不过,如果基本电流波形不合适,焊接效果不会有太大的改进。

该系统也对此进行了考虑,设置了人工调整(通过键盘)基本电流波形的方法,但这样减弱了实时控制效果。

图4　电流幅值的动态性调整
与此相反,文献[21]描述了另一方面,该专利将各种焊接参数制成一个“状态表”,根据电
流或电压闭环反馈的信息,通过DSP 芯片动态的调用这些状态表(图5)。

状态表的设定对焊接经验要求较高,如果状态表设置过细,需要频繁更换焊接状态,造成焊接状态不稳定。

若状态表设置过疏,则遗漏的状态会在短时间内将焊接状态恶化而来不及调整。

图5　状态表波形控制法
文献[22]提出了一种保持焊接电流的幅值
不变,而对输出电流持续时间进行调整的方法,如图6所示。

该系统的一个最大特点是根据焊接状态的变化进行自动调整。

虽然该系统基于软件控制,但是控制思路简单,不需要复杂的编程,对电源的要求也是普通的。

该系统首先输出一个基准电流波形,然后根据反馈信号对电流波形进行动态修改。

图7是一种对不同焊接过程进行交替调整的专利技术[23],达到调节焊接过程能量的目的。

该系统对第一焊接过程(低能量部分)进行计数,时间达到了预定值则转向第二个焊接过
44北京石油化工学院学报2007年第15卷
图6　电流持续时间的动态性调整
程(高能量部分),然后进行循环。

这种系统对焊接过程可以进行打底焊与填充焊的同时操
作,是一种多功能一体机的发展模式。

图7　不同焊接过程的调整
3　结语
实践证明:采用波形控制法对CO 2焊焊接过程进行控制,能够取得低飞溅,焊缝成形良好的效果。

随着电子技术的发展,波形控制法越来越显示出对CO 2焊焊接过程控制的灵活性。

充分借鉴各种波形控制法的优点,加深对熔滴过渡机理的理解。

今后焊接电源的发展,将更加精细化、动态化。

因此,设计出符合熔滴过渡
规律的波形控制方法,是波形控制法的发展方向。

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5
4第3期
俞建荣等1CO 2焊的波形控制技术的研究进展3
64北京石油化工学院学报2007年第15卷
The W aveform Control Method of CO2Welding
Yu Jianrong1　G ong Y ongfei1,2　Jiang Lipei1　Zou Y ong1 (1　B ei j i ng I nstit ute of Pet ro2chemical Technolog y,B ei j i ng102617;
2　Chi na Uni versit y of Pet roleum,B ei j i n g102200)
Abstract　By cont rolling welding current flow in time,t here will be resultf ul for solving t he problems of much spatter,bed welding bead and poor melting.In t his article some pop ular wave2 form cont rol met hods of CO2welding including co nventional and late2model ones are int roduced, and t he met hod based on real2time2adjusted waveform control is focused.It can be seen from t he develop ment of t he met hod of waveform cont rol t hat it is t urning more refined and more dynamic. K ey w ords　waveform control;CO2welding;droplet t ransfer;direction of develop ment。