减少短路过渡焊接飞溅的有效方法
清华大学 区智明
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
飞溅产生的主要是由于当短路液桥收缩 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
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
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
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 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
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
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,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)
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:
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:
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
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.

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