第1期 张光先,等:CO2气体保护焊表面张力的过渡 81 电流;U0为燃弧电压;U1为燃弧转为短路的电压 (t2-t1)。 (4) 阀值。整个熔滴过渡过程的电流表达式为 lo 可见随着送丝速度增加,假定12-t1保持不 12+k1t U<UI 变,1-10应该变小才能保证表面张力过渡的稳定 du> k 性。试验指出,固定n1-t0值,当送丝速度提高,会 出现顶丝现象。因此,在to~t1区间内应有t1-to U<U1(1) T0-k4,其中:k4为与速度有关的系数 r3~14 3.,4 1.4短路中期(t1~t2) U>U 采用一定波形的电流来完成对液桥的压缩,形 t5~t6l1+(l4-l1 U>U 成熔滴过渡的条件。一般采用两个指标来表示这 工作过程,短路时间和电流上升曲线。液桥受到电 U>UI 式中:U为电弧电压;k为短路电流上升率;磁力的大小等于 F= KIIn(rRd rs 为短路电压上升率k2为山判定阀值:k3为燃弧式中:是液桥半径;是焊丝半径;Rc是熔池表 =73,0、4、巧5均为常数,整个系统是电流闭环收缩接触面的半径;K是一个系数;F是电磁 电流衰减率。且有1-10=70,l4-12<T4,ts-14 面与液 随着液桥半径rs变小,电磁收缩力F增加,在 控制,电弧电压参与熔滴过渡状态判定。 液桥形成后期,电磁力对缩径的贡献最大,因而短路 1.2电弧电压的提取 电弧电压用于判定焊接过程的工作状态,当电律多这是前期小后期大的过程。短路电流变化规 电流应i 弧电压小于某值(约13~15V)时,认为处于短路状 (t)=l2+k1t。 态,否则是燃弧状态。实际上,来自焊机输出端的取 改变k1可调节电流上升速度。根据式(4),同 样电压中含有一定的线路压降,表达式如下 理可得:随着送丝速度的提高,短路时间应该相应降 U=I(R1+R2)+U0, (2)低。那么在式(6)中,k可修正为k1+k2v,k2为送 式中:u为取样电压;/为焊接电流;R1为焊丝干丝速度修正系数 伸长电阻;R2为回路焊接电缆电阻。为了取样准1.5短路后期(t2附近) 确,应将回路电阻的影响扣除。可以取上一个过渡 此刻液桥被压缩至很细的状态,主要依靠表面 周期回路电阻来估算这个周期的回路电阻,即 张力,熔滴就可以过渡至熔池中,即1>lκ。液桥状 态的检测主要依靠对缩径处电阻变化状态的检测 (R1+R2)≈n 般采用两个方法:和法。电源的等效电路 式中:Un-1为上一个过渡周期的短路中期电压;图如图2所示 n1为上一个过渡周期的短路中期电流。 1.3短路初期(to~t1) 熔滴与熔池发生短路时,迅速将输出电流调至 o,并持续时间(n1-t0),使熔滴在熔池上平稳扩展 开来,建立稳定液桥。1-t0的长短由送丝速度、熔 滴扩展速度、焊丝、保护气体等因素决定。假设其它 条件不变,送丝速度提高时,为了保证熔滴的表面张 图2焊机电源等效电路图 力过渡条件,在12时刻应满足1≥k,其中,为缩 Fig 2 Equivalent circuit of welding machine 径长度;k为缩径长度极限值3。 图2中,R为回路等效电阻(干伸长电阻R1+ 假定在to时刻焊丝至熔池的距离为l1,焊丝在回路电缆电阻R2+液桥电阻R3);L为回路电感 短路过程中的焊丝熔化可以忽略。在12时刻的缩E为电源电压值;为回路电流。有 径长度为|≈h1-v(12-1o),其中v是送丝速度 dL (7) 要满足过渡条件必须有 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net电流 ; U0 为燃弧电压 ; U1 为燃弧转为短路的电压 阀值。整个熔滴过渡过程的电流表达式为 I t0～ t1 I0 U < U1 t1～ t2 I2 + k1t U < U1 t2 I3 d U d t > k2 t2～ t3 I0 U < U1 t3～ t4 I0 U > U1 t4～ t5 I4 U > U1 t5～ t6 I1 + ( I4 - I1 ) e - K3 t U > U1 t6～ t7 I1 U > U1 , (1) 式中 : U 为电弧电压 ; k1 为短路电流上升率 ; d U d t 为短路电压上升率 ; k2 为 d U d t 判定阀值 ; k3 为燃弧 电流衰减率。且有 t1 - t0 = T0 , t4 - t2 < T4 , t5 - t4 = T5 , T0 、T4、T5 均为常数 ,整个系统是电流闭环 控制 ,电弧电压参与熔滴过渡状态判定。 1. 2 电弧电压的提取 电弧电压用于判定焊接过程的工作状态 ,当电 弧电压小于某值(约 13～15 V) 时 ,认为处于短路状 态 ,否则是燃弧状态。实际上 ,来自焊机输出端的取 样电压中含有一定的线路压降 ,表达式如下 U = I ( R1 + R2 ) + U0 , (2) 式中 : u 为取样电压 ; I 为焊接电流 ; R1 为焊丝干 伸长电阻 ; R2 为回路焊接电缆电阻。为了取样准 确 ,应将回路电阻的影响扣除。可以取上一个过渡 周期回路电阻来估算这个周期的回路电阻 ,即 ( R1 + R2 ) ≈ U n - 1 I n - 1 , (3) 式中 : U n - 1为上一个过渡周期的短路中期电压 ; I n - 1为上一个过渡周期的短路中期电流。 1. 3 短路初期( t0～ t1 ) 熔滴与熔池发生短路时 ,迅速将输出电流调至 I0 ,并持续时间( t1 - t0 ) ,使熔滴在熔池上平稳扩展 开来 ,建立稳定液桥。t1 - t0 的长短由送丝速度、熔 滴扩展速度、焊丝、保护气体等因素决定。假设其它 条件不变 ,送丝速度提高时 ,为了保证熔滴的表面张 力过渡条件 ,在 t2 时刻应满足 l ≥l K ,其中 , l 为缩 径长度 ; l K 为缩径长度极限值[3 ] 。 假定在 t0 时刻焊丝至熔池的距离为 l1 ,焊丝在 短路过程中的焊丝熔化可以忽略。在 t2 时刻的缩 径长度为 l≈ l1 - v ( t2 - t0 ) ,其中 v 是送丝速度。 要满足过渡条件必须有 t1 - t0 ≤ l1 - l K v - ( t2 - t1 ) 。 (4) 可见随着送丝速度增加 ,假定 t2 - t1 保持不 变 , t1 - t0 应该变小才能保证表面张力过渡的稳定 性。试验指出 ,固定 t1 - t0 值 ,当送丝速度提高 ,会 出现顶丝现象。因此 ,在 t0～ t1 区间内应有 t1 - t0 = T0 - k4 v ,其中 : k4 为与速度有关的系数。 1. 4 短路中期( t1～ t2 ) 采用一定波形的电流来完成对液桥的压缩 ,形 成熔滴过渡的条件。一般采用两个指标来表示这一 工作过程 ,短路时间和电流上升曲线。液桥受到电 磁力的大小等于[3 ] F = KI 2 ln ( rRC/ r 2 S ) , (5) 式中 : rS 是液桥半径 ; r 是焊丝半径 ; RC 是熔池表 面与液桥接触面的半径 ; K 是一个系数 ; F 是电磁 收缩力。 随着液桥半径 rS 变小 ,电磁收缩力 F 增加 ,在 液桥形成后期 ,电磁力对缩径的贡献最大 ,因而短路 电流应该是前期小后期大的过程。短路电流变化规 律为 I ( t) = I2 + k1 t 。 (6) 改变 k1 可调节电流上升速度。根据式 (4) ,同 理可得 :随着送丝速度的提高 ,短路时间应该相应降 低。那么在式(6) 中 , k1 可修正为 k1 + k2 v , k2 为送 丝速度修正系数。 1. 5 短路后期( t2 附近) 此刻液桥被压缩至很细的状态 ,主要依靠表面 张力 ,熔滴就可以过渡至熔池中 ,即 l > l K。液桥状 态的检测主要依靠对缩径处电阻变化状态的检测 , 一般采用两个方法 : d I d t 和 d u d t 法。电源的等效电路 图如图 2 所示。 图 2 焊机电源等效电路图 Fig. 2 Equivalent circuit of welding machine 图 2 中 , R 为回路等效电阻 (干伸长电阻 R1 + 回路电缆电阻 R2 + 液桥电阻 R3 ) ; L 为回路电感 ; E 为电源电压值 ; I 为回路电流。有 E = L d I d t + IR 。 (7) 第 1 期 张光先 ,等 :CO2气体保护焊表面张力的过渡 81