焊接过程中的动态信息特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：在CO2焊接研发方面，唐山松下对我国CO2焊接技术的发展有很大的影响。对于恒压特性的CO2焊接工艺而言，在短路过渡时，过渡频率f（1/T）对于焊接过程的稳定和焊缝成形以及焊接质量有直接的影响。焊机系统的动态特性与系统控制参数有直接关系，根据工艺要求和动态性能指标进行PID参数设计的内容。

以奥地利Fronius公司的TRANS PLUS SYNERGIC（TPS）系列焊机为代表的全功能焊机，成为了智能弧焊机在欧美国家成熟发展的标志。TRANS PLUS SYNERGIC系列焊机采用“MCU+DSP”相结合的控制技术，通过DSP集中处理所有焊接数据，检测和控制整个焊接过程，具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和评价系统等功能，同时实现了焊机程序的软件升级、多种焊接材料、工艺的适用性以及焊接工艺参数的离线处理等。

在CO₂焊接研发方面，唐山松下对我国CO₂焊接技术的发展有很大的影响。在数字化焊机方面，推出了YD—350DR3型焊机，是一款专门用于焊接钢材的CO₂/MAG焊机。可以看到，这是一台专用焊机，面板较简单，便于调节焊接参数，具有电流波形控制功能，可以调节出不同类型的电弧，其中刚性电弧适于立焊和高速焊，而柔性电弧适于低飞溅和大电流焊接。还可以在更宽的电流范围内实现稳定的焊接，引弧成功率高，用数字编码器控制送丝机，送丝速度更加稳定，使其焊接过程也更稳定，飞溅小。利用模糊控制技术，提高了抗焊丝伸出长度的干扰作用。具有存储和记忆焊接条件的功能，还能与焊接机器人实现无缝连接。日本OTC的D系列数字化弧焊逆变器主频率为80kHz，具有良好的动态响应能力和独特的电流波形控制方式，其中CO₂焊过程稳定，飞溅小，熔深均匀，有丰富的焊接条件存储与记忆功能，能实现100%的瞬时起弧，可实现多种材料的焊接。通过数字信号处理芯片给出多种斜率、不同幅值的CO₂短路电流波形，使得CO₂焊的工艺效果在不同的焊接电流范围内都能改善。

1.弧焊动态过程电信号特点

对于CO₂焊恒压工艺，也可以通过捕捉瞬时电压的变化来分析弧焊电源的动态特性。本试验采用瞬间短路的方法，也就是瞬时增大负载，观察电压波形的变化。实测恒压瞬时响应情况波形如图5-3-1所示。

T_s为短路时间，指瞬时短路后，电压输出响应从拉低到重新上升所持续的时间。

图5-3-1 实测恒压瞬时响应特性波形

T_t为过渡时间，表示电压输出响应在到达电压稳态值U_b（∞）附近，取±0.05U_b（∞）作为误差带，当响应曲线到达并不再超过该误差带所需的时间。T为短路周期，指从一个瞬时短路到下一个瞬时短路的时间。

对于恒压特性的CO₂焊接工艺而言，在短路过渡时，过渡频率f（1/T）对于焊接过程的稳定和焊缝成形以及焊接质量有直接的影响。焊机系统的动态特性与系统控制参数有直接关系，根据工艺要求和动态性能指标进行PID参数设计的内容。

对于普通CO₂焊机来说，可以稳定焊接的最小电流一般为70A左右，所设计的智能焊机，可以实现最小30A的焊接，电流达到40A时可以保证稳定焊接。如图5-3-2所示，当电流为30A时，电流波形稳定，过渡频率比较高，但是从焊缝上可以看出有少量的断弧。如图5-3-3所示，当电流为40A时，过渡频率进一步提高，焊缝成形连续美观，没有出现断弧。

图5-3-2 平均电流为30A时的波形和焊缝

a）连续波形 b）波形放大 c）焊缝外观

80A、120A是较常用的薄板焊接电流区域，它们的电流电压波形和焊缝外观照片，如图5-3-4、图5-3-5所示。从图可见，随着焊接电流的增大，过渡频率逐渐提高，成形纹波变密，焊缝的熔深逐渐增加。

图5-3-3 平均电流为40A时的波形和焊缝

a）连续波形 b）波形放大 c）焊缝外观

图5-3-4 平均电流为80A时的波形和焊缝

a）连续波形 b）波形放大 c）焊缝外观

图5-3-6所示为系统运行在不同微分时间T_d的PID控制下的电流输出波形。比较T_d从50ms到1s的输出电流波形可以看出，当T_d取值较小时，电流输出响应快，但是有一定的过冲量。随着T_d的值慢慢增加，微分作用愈加明显，系统的稳定性逐步降低。当大到一定程度（如500ms）之后，系统变得不稳定。

试验证明，当T_d=100ms时，在脉冲阶跃信号作用下，电流上升和下降的速度最快，最大超调量为3%，电流输出稳定。

图5-3-5 平均电流为120A时的波形和焊缝

a）连续波形 b）波形放大 c）焊缝外观

图5-3-6 不同微分时间T_d的PID控制下的电流输出波形

由此可以得出在取定比例系数K_p=2.2，积分时间T_i=100ms，微分时间T_d=500ms，可以得到理想的控制效果，这也是通过物理试验法确定的试验条件下的最佳PID参数。

在DP-GMAW工艺中，需要调节的参数有11个：强脉冲峰值电流I_ps、强脉冲峰值电流时间t_ps、强脉冲基值电流I_bs、强脉冲基值时间t_bs、强脉冲个数n_s、弱脉冲峰值电流I_pw、弱脉冲峰值电流时间t_pw、弱脉冲基值电流I_bw、弱脉冲基值时间t_bw，弱脉冲个数n_w以及送丝速度。峰值电流I_p、峰值电流时间t_p、基值电流I_b、基值时间t_b的取定与单脉冲焊一致，即要确保熔滴过渡实现一脉一滴，需要满足“碳钢焊丝一脉一滴临界电流曲线”的要求。设定值需要在曲线的上方。基值电流I_b保持电弧稳定，不断弧；基值时间t_b控制电流周期，保证焊缝成形。脉冲个数的选定原则是，确保形成鱼鳞纹，提高焊缝质量。通过比较试验证明，当强脉冲基值时间t_bs、弱脉冲基值时间t_bw取为8ms，强脉冲个数n_s、弱脉冲个数n_w取为15时，可得到美观的鱼鳞纹，若t_bs、t_bw、n_s、n_w取值不当，则容易出现各种焊接缺陷。

图5-3-7 80A、160A焊接电流时的波形

a）80A焊接波形 b）160A焊接波形

图5-3-7所示为80A和160A焊接电流时的波形

采用梯形调制脉冲波形控制加脉动送丝控制技术，实现冷弧焊铝工艺。工艺条件与DP-GMAW工艺基本相同，只要改为脉动送丝即可。图5-3-8所示为120A电流下的波形和焊缝成形。

该波形非常平缓，强弱脉冲群之间有上升与下降段，实现了能量的连续过渡，焊接过程更加平稳，焊缝美观，起弧收弧效果好。对不同频率下的120A焊接试验，由焊缝可

知，2Hz时鱼鳞纹间距过宽，影响焊缝质量，5Hz时的焊缝效果很好，鱼鳞纹很密，随着频率的进一步增大，焊缝鱼鳞纹变得越来越细小密集，接近单脉冲的效果。因此通过不同频率焊接试验，在3～5Hz时，焊接的效果最好。

正弦波焊铝的试验，取得了很好的焊接效果，图5-3-9所示为正弦波的示意图，是在梯形波的基础上进一步演化而来的，以下为正弦波的一组焊接波形与焊缝。

图5-3-8 120A电流波形和焊缝成形

a）连续电流波形 b）电流波形细节

试验基本条件如下：试件为厚3.0mm的铝板；焊丝牌号为1070纯铝，直径为ϕ1.2mm；保护气体为高纯氩；气体流量为20L/min，焊丝伸出长度为15mm；平板堆焊。在一个正弦波周期T内，设定脉冲电流峰值个数为N，在保持正负半周相等，均为T/2，且正弦波正半周期内的脉冲电流峰值个数为其负半周期内的脉冲电流峰值个数的1倍时。当N为45时，试验结果如图5-3-10所示。