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2023-06-24
数字化控制的重要技术优化
【摘要】：TIG焊一般采用高频振荡非接触引弧，电极不熔化，对数字化控制要求不高。为此，需通过数字化精密控制引弧、收弧过程。普遍关注的既简便又有效的方法，是直接对输出波形进行数字化控制，简称为波控法。波控法经历了从粗糙控制到精细数字化控制的发展过程。
1.工艺时序控制技术
各种弧焊方法都要按照一定的工艺时序操作焊接过程，图1-2-41a所示为带高频引弧的TIG焊工艺时序流程图。焊枪开关接通电路后开始流程为：电磁阀开通Ar气→延时后高频引弧（成功后引弧器关断）→引弧电流出现短暂峰值后回到维弧电流→经过一段预热延时后缓升到焊接电流→焊接结束前电流缓降到维弧电流，经过一段延时后再降为零→送气阀经过延时后再关断。
图1-2-41b为CO2焊工艺时序流程图：焊枪开关接通→电磁阀开通CO2气→经过一段延时后提供空载电压→短暂延时后先缓慢送丝，焊丝与工件短路引弧→电流缓升到焊接电压→焊接结束前送丝速度、电流、电压都缓慢下降填充弧坑→延时后再关断CO2气，结束全过程。
图1-2-41 弧焊工艺时序控制流程图
a）TIG焊（带高频引弧）工艺时序 b）CO2焊工艺时序
2.引弧收弧控制技术
不同的弧焊方法，引弧方式有所不同，而且对焊接过程稳定性和成形质量影响极大。TIG焊一般采用高频振荡非接触引弧，电极不熔化，对数字化控制要求不高。MAG/MIG焊采用接触引弧，焊丝产生复杂的熔化过程。如果引弧性不好，会产生焊丝爆断或使焊缝起点不好，收弧时又要求刚好填满焊缝终点的弧坑和焊丝末端小球尽可能小，否则再次引弧困难。为此，需通过数字化精密控制引弧、收弧过程。如图1-2-42a所示，采取高空载慢送丝引弧，引弧时空载电压维持有一段时间（但又不能太长），电流适当快速上升，引弧时间短，引弧顺畅，电弧声音柔和。如图1-2-42b所示，适当降低电压和减慢送丝收弧，使电流缓慢减少到零，让焊丝回烧以填平弧坑，减少弧坑裂纹、下塌等焊接成形缺陷，电流平缓降低，焊丝端部削小球效果好。
图1-2-42 MAG焊的引弧收弧过程示波图
a）引弧过程 b）收弧过程
3.一元化控制调节技术
不同弧焊方法，电流和电压之间关系也不同。在某一焊接电流值下，有一个对应的最佳电压值，只有电流和电压合理搭配，才能使焊丝熔滴过渡最稳定。此种搭配关系可从大量焊接工艺试验得到，并可绘制出一条一元化曲线。通常采用电压优先的一元化参数调节。根据焊接材料和焊丝直径的不同，将弧焊电源电压给定信号按一定的比例变换后，作为送丝电动机的控制电压，使送丝速度和电流随输出电压增大而增大。
4.脉冲波形与参数优化匹配控制技术
在MAG/MIG焊中，熔滴形成、尺寸、过渡模式和熔滴行为等是影响焊接工艺性能、焊缝成形和焊接质量的重要因素。典型的熔滴过渡模式有脉冲MIG焊的射滴过渡和CO2焊的短路过渡。脉冲MIG焊的熔滴过渡形式为：多脉一滴、一脉一滴和一脉多滴，其中一脉一滴是所有过渡形式中最理想的一种，而它需要通过焊接参数之间优化匹配获得。脉冲焊的焊接参数较多，除了电弧电压、送丝速度和焊接速度外，还有峰值电流Ip及其前后沿上升下降速度、峰值时间tp、基值电流Ib和基值时间tb等，如第1章图1-1-14所示。国内外常用的脉冲数字化控制方法有Synergic控制法、脉冲门限控制系统、QH-ARC控制法、闭环控制法、综合控制法、中值波形（在两个峰值间加入中值）控制法。
5.短路过渡波形控制技术
CO2焊用小电流焊接时，熔滴在电压较低、弧长较短的情况下，以短路过渡，燃弧与短路交替不规则周期性变化。焊接电流在其中起极其重要的作用，其大小及动态变化率既控制焊丝的熔化、熔滴过渡，又影响飞溅和焊缝成形。而焊接电流是输出特性和电弧特性综合作用的结果。已研究出各种有效的典型控制方法：恒压特性控制法、复合外特性控制法、波形控制法、脉冲送丝控制方法等。它们的实质是将焊丝熔化、熔滴过渡过程、飞溅、焊缝成形分别或分时予以控制。普遍关注的既简便又有效的方法，是直接对输出波形进行数字化控制，简称为波控法。波控法经历了从粗糙控制到精细数字化控制的发展过程。比较成功的是林肯公司的表面张力过渡（Surface Tension Trans-form，STT）。弧焊电源工作于短路过渡方式，在CO2焊过程实时测量电压与电压变化率，在一个过渡周期内根据不同电弧电压输出不同的焊接电流。STT将短路过渡过程细分为七个阶段加以控制，即：短路前燃弧段（t0～t1）、液桥形成段（t1～t2）、颈缩段（t2～t3）、液桥爆断段（t3～t4）、重燃弧段（t4～t5）、燃烧段（t5～t6）、燃弧后期段（t6～t7），如图1-2-43所示。
STT技术的另一个重要而全新的特点是焊接电流与送丝速度无关，可以在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好地控制热输入，得到合适的熔深和完美的背面成形。
图1-2-43 CO2焊STT的电压、电流变化曲线
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