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1、+筑弧焊工艺基础知识一.鸨极氮弧焊（氮弧焊工艺基础知识）以下内容是铛极氮弧焊的基础知识，建议用户认真阅读，对正确使用焊机很重要。鸨极氨弧焊就是把氧气做为保护气体的焊接。借助产生在鸨电极与焊体之间的电弧，加热和熔化焊材本身（在添加填充金属时也被熔化），而后形成焊缝金属。瞥电极，熔池，电弧以及被电弧加热的连接缝区域，受筑气流的保护而不被大气污染。氮弧焊时,焊炬、填充金属及焊件的相对位置如下图：弧长一般取1-1.5倍铛电极直径。停止焊接时，首先从熔池中抽出填充金属（填充金属根据焊件厚薄添加），热端部仍需停留在氨气流的保护下，以防止其氧化。1.焊枪（焊炬）鸨极室弧焊枪（也称焊炬）除了夹持鸨电极，输送焊
2、接电流外，还要喷射保护气体。大电流焊枪长时间焊接还需使用水冷焊枪。因此，焊枪的正确使用及保护是相当重要的。鸨电极负载电流能力（A）鸨电极直径（mm）直流正极（焊枪接焊机输入一）纯铝仕铛(p1.020-6015-8020-80(p1.640-10070-15050-160(p2.060-150100-200100-200(p3.0140-180200-300(p4.0240-320300-400(p5.0300-400420-5202.气路气路由氨气瓶减压阀、流量计、软管及电磁气阀（在焊机内）等组成。减压阀用以减压和调节保护气体的压力。流量计是标定和调节保护气体流量，筑弧焊机通常采用组合一体式的
3、减压流量计，这样使用方便、可靠。3.气气纯度筑弧焊时材质对氮气纯度的要求金属材料铭银不锈钢 太难熔金属氧气纯度（）99.799.984.规范参数鸨极氮弧焊的规范参数主要由电流、电压、焊速、叙气流量，其值与被焊材料种类、板厚及接头型式有关。其余参数如鸨极伸出喷嘴的长度，一般取1-2倍鸨极直径，鸨电极与焊件距离（弧长）一般取1.5倍以下鸨电极直径，喷嘴大小等则在焊接电流值确定后再选定。一般不锈钢氮弧焊规范如下：电流种类及极性板厚mm卷边对接对接加填充焊丝焊丝直径焊接电流（A）氧气流量（Umin）焊接电流（A）氧气流量（Umin）直 流 正 接（焊炬接焊机输出）0.530-50435-40401.0
4、0.830-50435-40401.01.035-60440-70401.61.545-804-550-854-501.62.075-1205-680-1305-602.03.0110-1406-7120-1506-702.0焊缝表面颜色与气体保护效果焊件材料效果不锈钢最好良好 较好 不良 最坏银白、金黄 蓝色 红灰 灰色黑色5.鸨极筑弧焊特有的工艺缺陷及防止措施缺陷产生原因防止措施夹铝（1）铛极直接接触焊件（2）鸨极熔化（1）采用高频引弧（2）减少焊接电流或增加鸽极直径（3）调换有裂纹的鸨极气保护效果差氨气纯度不高（1）采用纯度为99.99%的氨气（2）有足够的提前送气和滞后停气时间（3）做
5、好焊前清理工作（4）正确选择保护气流量（5）增大喷嘴尺寸，电极伸出长度等电弧不稳（1）焊件上有油污（2）鸨电极污染（1）做好焊前清理工作（2）去除污染部分（3）鸽电极直径过大（4）弧长过长（5）钩电极端头未磨好（3）使用正确尺寸的铸电极及夹头（4）调整喷嘴距离（5）重新磨制钙极端圆锥角大小（1）保护不好，钙电极氧化（1）清理喷嘴，缩短喷嘴距离，适当增加鼠气流量（2）枪与焊机极性接反（2）更改焊枪与焊机输出的连接鸨极损耗（3）夹头过热（3）增大夹头直径（4）铝电极直径过小（4）调大鸨极直径（5）停焊时铝电极被氧化（5）磨光鸨电极，调换夹头以上工艺规范仅供参考，如欲更深了解请参阅专业焊接工艺手册。
6、6.焊前清理铝极氨弧焊对焊件和填充金属表面的污染相当敏感，因此焊前须清除焊件表面的油脂，涂层，加工用的润滑剂及氧化膜等。7.安全技术鸽极氨弧焊操作者，必须戴好头面罩、手套、穿好工作服、工作鞋，以避免电弧光中的紫外线和红外线灼伤。斯泰尔鸽极筑弧焊机均装有高频引弧器，小功率的高频高压电虽不会电击操作者，但当绝缘性能不良时，高频电会灼伤操作者手的表皮，且很难治愈，所以焊接手把的绝缘性能一定要经常检查。铝极筑弧焊接时，应加强焊接区的通风。在不能进行通风的局部空间施焊时，应戴供给新鲜空气面罩或防毒面具。手工电弧焊对铸铁轴承座的修复工艺（图）摘要:介绍了小齿轮座底板的断裂情况,通过对其材料的技术性能、铁的
7、可焊性等性能的分析,确定了手工电弧冷焊的施工方案，并提出了具体的焊接工艺，顺利完成了该工件的修复。关键词:手工电弧焊，修复，焊接中铝山西分公司氧化铝一分厂GM223型管磨机小齿轮座,材质为HT15233，在使用过程中其底板四个地脚螺丝孔处两个断裂，一个发生裂纹。由于重新订货至少需时三个月,且生产形势较为紧张，要求管磨机早日投用，因此决定对该小齿轮座进行焊接修复。1缺陷情况及失效分析1.1 小齿轮座的断裂情况小齿轮座底板四个地脚螺丝孔有两个断裂（在小齿轮座同1）底板断裂有两处,位置及裂口开头见图 1、图 2,断块尺寸 270 mmx250 mmx70 mm，断口尺寸 270 mmx（100 mm
8、130 mm）2）底板断裂一处，见图1，已裂透。1.2 失效分析小齿轮座在使用中本身受到的拘束度较大。在管磨机运行过程中承受交变载荷作用。工件本身存在制造缺陷，在加强筋边缘与底板连接之处存在应力集中。运行中，由于大拘束度及交变载荷作用，预应力集中处发生破坏，形成裂纹，逐步扩展至筋板处，发生断裂。2修复方案选择根据技术手段的现状，选用手工电弧焊方法进行修复。2.1 材料的技术性能参数1）HT15233的化学成分见表1。1 化学成分表 1化学成分CSiMnPs2.7-3.51-2.70.5-1.2小于0.3小于0.1 52）HT15233r的性能参数见表2。2 性能参数表 2性能参数抗拉强度抗弯强
9、度硬度 U延展率抗冲击值147 N/mnr323.4 N/mm:163229小 r（）.5%/h p(J.X J/ninr2.2 铁的可焊性分析由于铸铁的固有性质及冶金特性,给电弧焊带来了极大的困难，具体如下：1）熔化后铸铁冷却速度快，在热影响区易出现白口组织，焊接时开裂倾向较大。2）铸铁组成成分中，碳的含量高，在焊接过程中碳易被气化，容易产生气孔。3）铸铁强度高,塑性差，焊接时残余应力大，易产生焊接热裂纹。4）铸铁中C、S、P等元素含量高，并在焊接过程中熔化到焊缝中，会增加金属的硬度，降低塑性和韧性，易产生裂纹，并降低可加工性。5）铸铁在冶炼过程中，易出现石墨粗大化，石墨与基体产生间隙，使铸
10、件在使用过程中油、水渗入形成氧化物，严重阻碍焊接时的熔合，同时，增加产生焊接裂纹和气孔的可能性。6）铸铁在焊接熔化时,液态金属流动性很差，严重妨碍焊接时的熔合，熔池中熔渣和有害气体难以逸出,会在焊缝中产生严重缺陷。针对以上不利因素，必须从焊接工艺、操作方法、焊接程序、焊接材料几方而加以解决。2.3 焊接方法的选择铸铁手工焊可采用热焊和冷焊两种方法。手工电弧热焊是将工件整体加热到600 650 C以上开始施焊，焊接过程中工作温度不得低于400 C,焊后马上加热到650 C,以消除应力退火。小齿轮座的重量为1.74 t,且氧化铝一分厂没有合适的加热装备，故采用手工电弧冷焊法修复。冷焊法是指用不预热
11、、严格控制层间温度、小线能量的焊接方法进行焊接。2.4 焊接材料的选择HT15233的可焊性较差且底座的下表面为加工表面，为保证焊接质量及下表面的可加工性宜采用纯银基焊条Z308进行焊接。但Z308焊条价格昂贵，为节约费用，可采用以Z308焊条焊隔离层、J507焊条与Z308焊条相互填充、Z308焊条盖面的方法进行修复，这样既可降低成本又可保证焊接质量及下表面的可加工性能。Z308焊条的机械性能见表3。表 3焊条的机械性能煌缝金属的抗拉强度对接强度煌籍硬度nv热影响区硬度/IIB不小 P 245 N/mnr147 N/mnr 196 N/mnr130170不 大 J-2502.5 焊接次序1）
12、裂纹处按非加工面再加工面的次序施焊。2）断块处先焊筋板侧，保证焊透，再从另一侧清根、施焊。后焊筋板。3焊接焊接前要对所有焊接部位进行彻底清理，清除所有结疤、油污等缺陷因素，然后再开始焊接准备。3.1 裂纹处焊接准备表面清理干净后，用角向抛光机修磨裂纹处至磨出所要求的双U型坡口。修磨时要求消除所有裂纹倾向，坡口边缘平滑过渡，钝边、间隙以单边能焊透为准。3.2 断块处焊接准备两断块断裂口处形状基本规则，表面清理后用角向抛光机将断口按坡口所要求形状、尺寸修磨成双U型坡口，钝边、间隙以单边能焊透、另一侧以清根为准，然后按尺寸在划线平台上将断块与小齿轮座本体组对、点固。3.3 焊接小齿轮座焊接熔敷量较大
13、，为减小焊接应力及焊接变形,保证焊接质量，采用两班工作制，固定高水平焊工施焊。焊接时环境温度保证在20 C以匕夜班如果温度过低则停止焊接。为防止穿堂风，在施焊时搭设围篷以防风保温。焊接时先焊裂纹，然后再焊断裂块。焊裂纹时先焊两螺丝孔中间的裂纹，焊完后再焊外侧裂纹。1）焊接前,Z308焊条要150 烘 干1 h,J507要250 烘干2 h,烘干后放入保温桶中保温，随用随取。2）每次焊接时都将焊道放置在水平位置,以利于操作。3）焊接时采用短道、快速、不摆条、断续、分散焊法，每段长度不超过30 mm，收弧时要填满弧坑。4）焊完一道马上用钝头小锤锤击整个焊道以释放焊接应力,锤击速度要快，力量由重渐轻
14、。5）严格控制层间温度，每焊完一道必须冷却到50 以下方可继续施焊。6）打底时采用小熔合比进行焊接，填充焊和盖面焊时可适当放大熔合比。7）清除熔渣后，用五倍放大镜观察，无裂纹,再继续下一步焊接。浅析C O 2气体保护焊焊接电源特性的构成C0 2 气体保护焊是以C0 2 气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊方法。由 于 C 02源丰富、价格低廉等原因，在现代生产和工程中应用已经很普遍。C02气体保护焊机的工艺性能（电弧的稳定性、焊接飞溅和焊缝成形等）都直接受焊接电源特性的影响。所 以 C0 2 气体保护焊要求使用平硬特性的直流电源，并具有良好的动特性，是有科学依据的。一、C02气体保护焊的
15、工艺特点分析C02气体保护焊具有焊接效率高、抗锈能力强、焊接变形小、冷裂倾向小、熔池可见性好、以及适用于全位置焊接等优点。究其不足主要是：很难使用交流电源，焊接飞溅多。特别是采用短路过渡形式时，在焊接过程会产生大量的金属飞溅。造成大量金属的损失，使熔敷率降低，焊后清理工作量增加。同时，飞溅的产生降低了电弧的稳定性，严重影响焊接质量。此外采用短路过渡的 C02体保护焊还存在焊缝成形差的工艺缺点。主要表现为焊缝表面不光滑、熔深浅、焊缝成形窄而高，容易出现未熔合的焊接缺陷。所以要使C02气体保护焊在工业生产中得以广泛推广和应用，则必须解决和控制这些工艺问题。二、C02气体保护焊中短路过渡的工艺分析C
16、02体保护焊中短路过渡的初期和后期都会产生飞溅。每次燃瓠时，电弧会冲击熔池而产生飞溅；当焊丝熔化形成熔滴与熔池接触，液桥还没有铺展开时，由于接触面积小，电流密度大，而发生汽化和爆炸产生“瞬时短路”飞溅；当熔滴与熔池短路金属液桥铺展开时，在液态金属的表面张力、重力、以及流过液桥的电流所产生的电磁收缩力的作用下，形成液桥缩径并急剧减小，短路电流密度剧增，使液态金属在瞬间发生汽化和爆炸而产生飞溅。同时，液桥金属的汽化和爆炸，不仅产生飞溅，还会引起熔池的剧烈震荡，从而导致焊缝成形不良和电弧的稳定性降低。焊接时对母材的加热的热源主要是燃弧能量。C 0 2气体保护焊过程中，短路时间占了很大的比例，且短路过
17、程几乎不会给母材提供热能。其燃弧时间比其它焊接工艺都短，所以导致对母材的加热不足，从而造成焊缝余高大、焊缝窄、熔深浅、未熔合等焊缝成形缺陷。三、CO 2气体保护焊焊接电源特性的构成从 上 述 对CO 2气体保护焊短路过渡特点的分析可知，焊接电弧的工艺效果将取决于电源特性的不同。电源特性包括电源静特性和动特性。1、焊接电源的静特性构成焊接电源的静特性即电源输出电压与输出电流之间的变化关系，表达这一关系的曲线称为电源静特性曲线。不同的焊机有不同的静特性，分别有平硬特性和下降特性。电源静特性的确定离不开焊接电弧的特性（在弧长不变状态下，电弧电压与电弧电流之间的关系）。电弧具有很高的动态响应，故一般可
18、以认为电弧动态特性与其静态特性相同，其静特性曲线呈U形。U形曲线分为下降段、水平段和上升段，（D 2气体保护焊的电弧静特性处于上升段。电源静特性与电弧特性的交点，为焊接电弧的工作点，图1为两种电源特性和电弧负载特性曲线图，图中P 1是平硬特性,P2是下降特性。C O 2气体保护焊过程有两种负载状态：熔滴短路时为电阻状态，其 特 性 为L 1 ;燃弧时为压缩电弧状态，其 特 性 为L 20现在我们来分析哪一种电源静特性适合于C O2气体保护焊。小 )H 132I/A图一对于静特性分别为P 1,P 2的焊接电源（图1 ）,如果焊接电流均 为I H,在短路负载L 1的状态下，由于静特性曲线斜率不同，
19、平硬特性的焊机输出短路电流I S 1比下降特性的焊机输出短路电 流I S 2高得多，所以平硬特性P 1的焊机的短路液桥爆断电流和焊接飞溅比下降特性焊机要大。在燃弧状态下，即电弧特性为L 2,平硬特性的焊机输出电流和电弧电压最低，即I A 1 C I A 2,U A 1 UfoUba为“+”，V 1导通V 2截至，K4处于释放状态，K4常闭触头接通送丝电机电枢回路,送丝电机转向为抽丝状态。随着电弧电压的建立，Uf升高并逐步抵消Ug,Uba亦随之减小至零。这时V 1因无基极电流而截至，V 2导通，K4吸合，电机得主电路由K4常闭触点转为常开触点接通，电机电枢电压方向改变，转向随着改变，使焊丝转入下
20、送状态，正常焊接时UfUg,Uba为负，K4维持在吸合状态。1.1.4 特性控制电路比较电路的另输出信号Ucd主要用来控制送丝电机的速度。在这个信号输出至触发电路前必须考虑2 个问题：一是电弧电压对焊丝输送控制灵敏度，因为这是一个闭环控制系统，系统灵敏度必须恰当，灵敏度过高会造成系统振荡，无法焊接，过低则弧长稳定性能差。二是换向继电器K4在起弧的翻转过程中触点不带电流，以防烧坏触头。这就要求Uba为 0 附近区域触发电路不工作。图6 表示了 Ug、Ua与转速n 之间的关系，显然在Ua与 Ug1（或 Ug2）近似相等的附近区域，转速n 为 0。电路中电位器RP*13、RP*14控制图6 中特性曲
21、线的斜率，即n/U a,它反映出系统的控制灵敏度。开关二极管VD19由 Ucd控制其开通与关断，在 Uba为。的附近区域VD19 关断，使触发器不工作。1.1.5 触发电路由单结晶体管VF4与电容C6等元件组成移相振荡器，移相角度由晶体管V 3按特性要求控制。触发器的输出脉冲由脉冲变压器T3耦合至晶闸管VT1。1.1.6 晶闸管回路电路中晶闸管VT1接受T 3的触发脉冲，移相触发导通，控制送丝电机M 1的转速，K4的触头状态决定M 1的方向。电路中的电阻印 9、电位器RP*59组成电枢电压负反馈，以提高电机的机械特性硬度。1.2 焊车调速电路该电路见图7。它与送丝电路不同之处是：a.电机M2转
22、速由焊接速度电位器RP*2人为调节决定。b.电路除电枢电压负反馈外还增加了电流正反馈，反馈量分别由电位器RP*49与 RP*51调节。电源电压负反馈提高高速时的机械特性硬度，电流正反馈则主要为了改善低速特性。1.3 起停控制电路该电路具有空载刮擦起弧与定电压熄弧功能。如图8 所示。起弧分2 种状态。短路起弧时，按住启动按钮S B*1,继电器K2.K 3吸合，焊机即进入正常起弧。空载起弧时焊丝不接触工作，按住SB*1后 K3吸合，电源输出空载电压，较高的空载电压使干簧继电器K1吸合，K1的常开触头将继电器K2线圈短路，K2不能吸合，K2常开触点切断R4.RP*1比较回路”，使该电路输出减小，焊丝
23、以正常速度的1/5左右缓慢下送（由 RP*46调整），直至焊丝与工件短路，甩弧电压跌落至0,K1释放，K 2吸合，甩路进入正常的起弧与焊接状态。停止焊接时，按下“停止”按钮S B*2,其常闭触点SB*2-1切断送丝与小车行走的主电路，焊丝停送后，电弧拉长，电弧电压升高。SB2-2常开触头短接电阻R2,使 K1的吸合电压降至52V电弧电压，K2线圈被K1常开触头短路而释放，焊接停止。电弧在52V时熄灭，使焊丝既不会烧坏导电嘴又不会粘在工件上。2 维护修理焊机的安装，接线应严格按规定进行，焊机在使用一段时间后应进行检查与护理，当主控板元件有更换时应能按要求进行工作点调整，这些内容在产品使用说明书中
24、已有详细介绍。气体保护焊技术操作规程1、主题内容和适用范围本标准规定了 CO2气体保护焊操作规程本标准适用于本厂钢结构件的CO2气体保护焊2、引用标准YB/JQ 101.10钢铁企业机修设备制造通用技术条件焊接结构件3、准备工作3.1熟悉图纸和工艺文件，弄清焊缝尺寸和技术要求。3.2 按工艺要求取用焊丝，无要求的则按焊件材质，焊缝质量要求取用焊丝，焊丝应符合国标，一般结构钢可选H08Mn2sA焊丝。焊丝用前去油去锈。3.3 焊前对C 02气体进行去水处理。3.3.1气瓶倒置1-2 小时，开阀放水，每隔3 分钟放一次，连续23 次。3.3.2 经放水的气瓶正立2 小时，放出杂气即可使用。3.3.
25、3 在输入焊枪的气路中设置干燥器。定时检查干燥剂。3.4 检查坡口及间隙是否符合要求，不符合者予以返修或报废，重要工件要检查引、熄弧板是否齐全。3.5 清除工件坡口两侧10mm内的铁锈、油污。3.6 准备好焊接用的工具和保护用品。3.7 c0 2 焊机，检查焊机甩源的运转检查CO2焊机头是否正常。3.8 c0 2 焊的气路应保证通畅，瓶压降至1 兆帕应更换。4、焊接4.1 CO2焊焊接工艺规范按工艺要求执行，无要求的可以通过工艺试验确定。4.1.1根据板厚，焊接位置坡口形式选择焊丝直径（表 1）4.1.2 要根据焊丝直径各所需的熔滴过渡形式及生产率的要求选择焊接电流及电压（表1 ）4.1.2.
26、1 短路过渡的规范小，适用于薄板的全位置焊接。4.1.2.2 熔滴过渡的规范大，适用于焊接中等厚度及大厚度工件。4.1.2.3 焊丝伸出长度、CO2气体流量可参考表1。4.2 对于钢结构焊件，C02焊一般采用直流反有接法。4.3 焊前要按确定的规范进行焊机调核，不允许在工件上进行。表 1焊丝直径(mm)熔滴过渡形式板 厚(mm)电 流(安)电 压(伏)伸出长度(mm)气体流量升/分焊接位置0.8短 路1.52.5601001819810610全位置1.0短 路28801201821812610全位置1.2短 路2810015019231012810全位置颗 粒2121604002538水平1.
27、6短 路312140200202410141520全位置颗 粒62005002640水平4.4引弧前将焊丝端部球状部分剪去，焊丝端部与工件保持23mm的距离，引弧用短路法引弧，引弧位置距焊缝端路24 m m,然后移向端部，金属熔化后再正常焊接。重要件在引弧板上进行引弧。4.5对于有预热要求的，要按工艺规定预热后再进行焊接。4.6焊缝位置不同要用不同的操作方法。4.6.1平焊时可按焊件结构，用左焊法或右焊法，与不平板的夹角分别为80090o和60 075 0 平角焊缝，枪与水平板的夹角为40 o50 0。4.6.2立焊时可上焊或下焊，焊枪与竖板的夹角为4 5 5 0 0。4.6.3横焊时焊枪应作
28、适当的直线往返运动，焊枪与水平的夹角为5 015。4.6.4仰焊应用较小的电流和电压，焊枪可作小幅度的直线往返运动。4.7为获一定的焊缝宽度，焊丝可摆动，但摆动时不得破坏CO2气体保护效果。4.8收弧时须填满弧坑，熔池凝固前不得停气，平板时一般用熄弧板收弧。4.9c0 2焊焊接时应尽可能量避风施焊，且环境温度不得低于-10。4.10焊接时要随时检查规范是否稳定，有问题时要做及时调整。5、焊后对焊缝进行检查、清除熔渣、飞溅。6、焊接过程或焊后发现不允许的缺陷要进行返修。6.1对缺陷进行分析，找出原因，制订返修措施，对裂纹必须找出首尾。6.2 用碳弧气刨清除缺陷，易淬钢刨前要预热150 oC 以上
29、。6.3 焊件要在热处理前返修，否则返修后要重新热处理。6.4重要件返修时同一部位不超过两次，两次不合格者,重订返修措施并报有关部门批准。6.5 焊前预热的工作返修，也要预热返修，温度高于原预热温度50-100 oC,焊后焊缝局部加热至250350 0 C,保温23 小时。缓冷至常温。CO2焊短路信号的检测CO2焊短路信号的检测摘要：根据CO2气体保护焊短路过渡的特点，利用电压比较器、微分电路、数字电子线路,设计了短路检测电路和短路液桥缩颈检测电路。对所设计的电路成功地进行了仿真和实际焊接试验验证。河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003河南科技大学电子信息工程学院，河南洛阳471
30、003关键词：短路检测；缩颈检测；电子电路一、前言Co2气体保护焊是一种易于实现自动化的焊接方法，具有高效、节能、抗锈、低氢、低成本以及可全位置焊接等优点，因此在中、薄板和全位置焊接中得到了广泛的应用。短路过渡是Co2气体保护焊中采用的最重要的熔滴过渡形式，易于实现全位置焊接，但普遍存在飞溅大和成形不好2 个问题。飞溅大恶化工作环境，焊丝消耗量增大，而且增加了清理的工作量，降低了工作效率。随着焊机自动化程度的不断提高，对焊接电源的改进提出了更高的要求。近年来，对 Co2焊短路过渡过程的控制也越来越趋于电子化控制，在此基础上发展了多种控制方法，如能量控制和波形控制等，这些控制方法都要求准确检测出
31、短路初期和短路末期。文献指出：检测到短路信号后，减小焊接电流至10A并维持0.75ms,用微分信号检测到液桥缩颈信号后，在 5us内将电流降至50A。目前，通过在短路初期和液桥缩颈即将爆断时减小焊接电源的输出电流来控制飞溅已成为一种共识。二、Co2焊短路过渡过程电弧电压波形在 Co2焊中，焊丝端部熔化形成熔滴，熔滴长大与熔池发生短路接触后，成为连接焊丝与熔池的金属液桥。液桥主要受到表面张力和电流产生的电磁收缩力的作用，在此作用下，液桥金属出现失稳现象，发生收缩、破断并向熔池过渡，这一过程称为短路过渡过程。典型的表面张力过渡的电压波形如1 图所示，整个过渡过程分为短路前期他切)、短路中期(t1-
32、t2)、短路后期。2 附近)、表面张力过渡区(t2-t3)、燃弧前期(t4-t5)、燃弧中期(t4-t5)、燃弧后期(t5-t6)、基值电流区(t6-t7)。实验中采用ZP7逆变焊机，焊接电压2 3 V,焊接电流200A,焊丝H08Mn2SiA。图2 是试验中测得的焊接波形。在第一个短路过渡周期中,t0 时 刻(约 2ms处)为正常熔滴短路时刻，这时电压由23V 陡降至5V 左右;t2 时亥ij(约3.2ms处)为小桥缩颈即将爆断时刻，从短路开始到这一时刻，电压首先基本保持在3V 左右，大约在2.5ms处电压迅速上升至6V 后，电压有一个很短的下降过程。短路结束t3 时刻(约4ms处)，此时电
33、压由短路时的6V 左右猛然上升到25V 以上。小桥的缩颈和爆断是两个完全不同的物理现象，尽管两者之间有联系，时间上也非常接近，但必须把它们区分开，因为当液体小桥爆断、电弧再引燃时，电弧电压才出现陡升，此时刻对于判断液体小桥是否产生缩颈已无意义，但对于熔滴过渡是否结束的判断还是十分有效的。该研究检测的是短路前期的熔滴短路t0 时刻和小桥缩颈即将爆断t2 时刻以及短路结束的t3 时刻。图2实际焊接短路过渡电压波形三、Co2的检测和引弧短路区分焊接电压输入到短路检测电路后，检测电路要及时检测熔滴与熔池的接触时刻。通常有2 种情况存在：一是熔滴短路，它是焊接完全正常时电压由25V左右陡降到5V 左右；
34、二是在焊接刚开始或者在焊接过程中断弧以后再引弧时才有的，此时电压由65V 左右陡降至5 左右，此时如果降低焊接输出甩流，会导致熄弧。在实际焊接实验时，难以抓到空载、燃弧、短路同时存在的情况，因此在此采用0RCAD9.1进行了仿真，如图3 所示。图3仿真焊接输入波形图中第一个周期2-3MS期间是空载阶段，电压在65V左右；3-8ms为短路阶段，此为引弧短路;8-15是燃弧阶段。第二个周期中15-18ms为正常熔滴短路阶段。针对短路过渡的特点，设计的电路必须满足以下要求：a.正确区分引弧短路和熔滴短路；b.发出的信号应是单片机能够接受的数字信号；c.具有一定的抗干扰能力。短路前期熔滴短路的检测电路
35、如图4 所示。输入信号经过稳压管限幅，为使集成比较器能正常工作同时不影响波形检测，将空载电压值限制在28V 内。限幅后的电压信号输入窗口比较器（由2 个 LM324比较器A1和A2组成），比较器的输出为检测电路的输入。因短路甩压一般不超过10V,燃弧电压在17-25V之间，而空载电压超过30V,设计比较器的两个给定电压值LH和 U2分别为12V和 25V。当被比较的信号Uin位于门限电压之间时（U1UinU2或 Uin z)=c f l m u 4.U (x)nptcj(y)Clpiii；()IC h/s i(Y为 X,V yGK V 2 6 Z)根据模糊推理合成规则，输出的控制量 为U-(E
36、x C)。公 (3)即四 Mz)=/球(叫),z)n 没(/)?NM”(4)这样，若已知输入且、守和输出我们就可以根据上述规则把相应的模糊关系友求出来；反之，若系统的模糊关系友为已知时，我们就可以根据输入理、*而求出输出控制量炉。模糊判决采用普通加权平均法，其执行量umax由下式决定2户(t t i),UiUa=-(5)0 由于C 0 2短路过渡过程是极快的过程(1 0 0 H z左右),而对其实施控制的时间量级至少为几十u s,因此在线地进行模糊推理的矩阵运算和模糊判决在目前的硬件条件下是不可能的，所以在通过大量的离线计算和实验仿真的基础上，得到两个模糊控制表，表2为恒压控制的模糊控制表，表
37、3为带阶段判别的恒电流上升率控制的模糊控制表。这样，在控制过程中只要把输入量模糊化，通过简单的查表操作就能得到控制量，保证了控制的及时性。表2恒压控制模糊控制表T ab.2 T he fu z z y cont rol t able of cons t ant v olt age cont rolciVUV-6-5-10156-60.10.080.020.010.0080.0010-50.080.080.020.010.00800.001-10.020.010.0020.0010-0.006-0.00800.010.0080.0010-0.001-0.008-0.01C020.0080.006
38、0-0.001-0.002-0.01-0.0250.0010-0.008-0.01-0.02-0.08-0.08600.001-0.008-0.01-0.02-0.08-0.1表3带阶段判别的恒电流上升率控制模糊控制表Tab.3 The fuzzy control table of constant currentrate of climb with the stage distinguishedd I 6-5 1 0 C02 5 6UI-60.150.10.040.010.0080.0010-50.10.10.020.010.00800.001-10.040.010.0020.0010-0.
39、006-0.00800.010.0080.0010-0.001-0.008-0.0110.0080.0060-0.001-0.002-0.01-0.0450.0010-0.008-0.01-0.02-0.1-0.1600.001-0.008-0.01-0.04-0.1-0.154模糊控制的实现本实验采用美国林肯电气公司生产的I N V E R T E C T M V 3 0 0-1焊机，其原理框图如图4所示。本设计的控制系统是在图4的控制系统框图上，把原电路的模拟控制部分用M C S-8 0 9 8单片机研制的模糊控制电路代替，输入仍为电弧电压和焊接电流，输出为控制U G 3 8 4 7第5脚
40、的模拟电压信号，通过调节输出占空比来进行控制，而系统的其他部分则暂不改动，以检验本控制方案的可行性和焊接效果。I上 与 电 户 血 waxr.ay，过生像FII过格保户母交着I T，灾正韬脩|电划占检测|图4 I N V E R T E C T M V 3 0 0-1焊 机C 0 2焊接时的控制系统结构框图F ig.4 T he cont rol s y s t em block of I N V E R T E C T M V 3 0 0-1 w elder w hile C 0 2w elding本实验选用M C S-8 0 9 8单片机系统，改用寄存器-寄存器结构，提高了操作速度和数据吞
41、吐能力，采 用1 2 M晶振时，一条指令的最短时间为lu s。另外，M C S-8 0 9 8具有四个通道的内部1 0位A/D转换器，采 用1 2 M晶振时，采样周期为2 2 u s,对于本模糊控制系统，由于有两个量要采集，因此一个控制周期为4 4 ns,与仿真设计的控制频率基本相符。D/A采 用D A C 0 8 3 2,经实验验证，能够满足本系统的要求。经仿真结果和实验调整，对于双模模糊控制的模糊论域选取采用：(1)燃弧过程的恒压控制，电弧电压的模糊控制论域是3V。(2)短路过程的带阶段判别的恒电流上升率控制，焊接电流的模糊控制论域是 30A。(3)输出控制占空比的模拟信号的模糊控制论域是
42、0.5V模糊控制表只是在仿真结果表2和表3的基础上乘上了一个系数，变化不大，这里就不重复给出了。5实验结果图5所示为模糊控制EC02短路过渡焊的电弧电压和焊接电流波形的实拍照片，图6为把一个短路过渡过程放大的实拍照片(上为电流，下为电压)。其中，检测到短路发生和缩颈形成后实施控制都有一个延时;这与检测滤波以及控制频率有关，可以看出，实际波形与设计思想基本一致，在实际系统中，短路瞬间抑制电流的延时为0.24m s,缩颈形成后抑制电流的延时为0.3ms。由波形的对比可以得出，把模糊控制应用在实际的C02焊接过程中是可行的。:图5模糊控制下的电流电压波形Fig.5 The current and v
43、oltage waveforms with the fuzzy control图6电流电压波形放大Fig.6 The amplified waveforms of current and voltage本设计的初衷是为了减少C02焊过程中的飞溅率，为了说明此方案的有效性，做了以下对比：在同一规范下：焊 丝 直 径 81.2mm；送 丝 速 度 3.4m/min；工 作 电 压 20Vo用同一台逆变焊机进行焊接实验，采用称重法进行飞溅率的检测及对比，结果如表 4。表 4飞溅率对比Tab.4 The comparision of spatter ratio(%)控制方式飞溅率1 飞溅率2 飞溅率3
44、 平均未加入模糊控制4.34.14.24.2加入模糊控制2.122.22.1由实验结果可以看出，本设计达到了预想的目的，对于减少C02焊接过程中的飞溅率是十分有效的。6进一步研究的设想模糊控制在C02逆变焊机中的成功应用，说明了对于非线性焊接过程，智能控制的应用是有效的，也是很有发展前途的。随着硬件电路的性能提高和控制算法的不断改进，控制效果会更趋完善。由于条件所限，本实验只是着眼于控制电流波形以减少飞溅率，对其他焊接工艺等方面尚未做更多的探讨，仍需进一步研究。作者简介：吴 爱 国 1954年生，1982年毕业于天津大学自动化系，副教授、硕士生导师，天津大学-霍尼韦尔楼宇自动化学院院长，目前主
45、要研究方向为电力电子领域中功率变换器拓扑结构及控制策略、电子传动系统的控制策略及智能大厦的控制等。Wu Aiguo was born in 1954,graduated at Automation Departmentof Tianjin University in 1982.At present,he is the tutor ofmaster,associate professor,the dean of Tianjin University-Honeywell Homeand Building Control Col lege.His main research areas are to
46、pology andcontrol strategy of power converters in the tield of power electrics,thecontrol strategy of power transmission systems and the control ofintelligent buildings.作者单位：天津大学电气自动化与能源工程学院300072参考文献1 Stava E K.The surface-tens ion-transfer power source:A newlow-spatter arc welding mechine.Welding
47、Journal,1993(1):25292 Ushio Masao.Recent advances in welding power system for automaticw e l d i n g.W e l d i n g i n t h e w o r l d,1 9 9 4,3 4(9):1 8 5 1 9 13 S o W i n g c h i.D e v e l o p m e n t o f a f u z z y l o g i c c o n tr o l l e r f o r D C-D Cc o n v e r te r s:D e s i g n,c o m p
48、u te,s i m u l a ti o n a n d e x p e r i m e n ta l e v a l u a ti o n.I E E ET r a n.P E,1 9 9 6,14 王学慧.微机模糊控制理论及其应用,北京：电子工业出版社，1 9 8 7CO 2电弧焊动态过程的MATLAB仿真研究摘 要 针 对 短 路 过 渡 型 CO 2电弧焊系统存在本质非线性的特点，采用目前国际控制领域内应用最广的MATLAB软件，建立了“弧焊逆变器一非线性负载”系统的数字仿真模型。该模型以组合图形方式，直观、有效地表征了各环节的特性。通过系统仿真定量地研究了 CO2电弧焊动态过程，给
49、出了负载电压、焊接电流随时间变化的仿真波形和短路过渡型CO 2电弧焊系统的相平面图。应用德国产Hannover-XII型焊接过程动态分析仪所获得的实测数据与计算机仿真结果基本相符。从而为研制工艺适应性优良的新型弧焊逆变电源和定量分析非线性弧焊系统的动态过程提供了一个强有力的工具。关键词：C 02电弧焊 MATLAB仿真 弧焊逆变器 非线性负载Simulation Study on Dynamic Process of C02 Arc Welding with MATLABYu Wensong,Xue Jiaxiang,Huang Shisheng,Zhang Xiaonan,Zhang Jun
50、hong(South China University of Technology.Guangzhou)Cheng Tao bo(Guangdong Academy of Science Automation Center,Guangzhou)Abstract：Based on intrinsic nonlinear characteristics of C02 arc welding with short circuittransient,the digital simulation mode for the system consisted of inverter and nonlinea