《焊接电弧物》PPT课件.ppt

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1、1,1 焊接电弧2焊接电弧弧长控制 3熔滴过渡控制 4 焊缝自动跟踪控制 5 焊接电弧物理研究的现状及最新发展,课程内容,2,1.1 电弧物理基础 1.2 焊接电弧导电机理 1.3 焊接电弧能量转换 1.4 焊接电弧的电学特征、热学特征、力学特征 1.5 焊接电弧的引燃 1.6 各种实用焊接电弧的特点及比较分析,第一章 焊接电弧,3,1.1.1 粒子的运动1.气体粒子动能和温度关系,1.1 电弧物理基础,4,物理模型,容器中的气体粒子,5,单个粒子碰撞:,粒子碰撞器壁频率,假设,器壁所受压力P,弹性碰撞粒子垂直碰撞器壁的速度分量相等,6,所有粒子,所有粒子压力,u,v,w三个方向有,单位时间内

2、,压力计算,速度与温度关系,7,温度定义,8,温度T就是从整体上观察气体粒子总动能的量度。,物理意义,温度定义,9,2.平均自由程,自由程,自由程：从一次碰撞到下一次碰撞期间能够自由地作直线运动的距离。平均自由程：连续两次发生碰撞的平均距离（Mean Free Path）,10,2.平均自由程,自由程,11,粒子碰撞截面图,物理模型,假设条件,12,A,B粒子速度相当并有,讨论：为电子，为中性粒子,13,2008-1,，均为气体粒子,为阳离子,14,3.扩散,一维计算,当气体粒子密度是不均匀分布时，粒子的移动将通过热运动相互交换位置来进行，最终达到粒子密度的均匀分布，即热扩散（Thermal

3、Diffusion）,15,4.气体粒子的碰撞,m1,m2两球发生对心碰撞,初始速度 V1，V2=0，碰撞后V1，V2和V1,V2满足能量与动量守恒定律,16,在电弧气氛中，碰撞-对心碰撞，偏心碰撞,电子碰撞一次传递给对方的能量只占极小的比率，但是碰撞次数多，传递的能量当然也会多。,弹性碰撞,小结,17,非弹性碰撞,小结,18,1.1 电弧物理基础1.1.2电离 1.原子结构,第一章 焊接电弧,原子是由带正电的原子核和Z个（原子序数）绕原子核运动的电子所组成。原子核内含有Z个质子和（M-Z）个中子。,19,电子当从外部获得能量时，将跃迁到n（能级）较大壳层。,激发能,其中n则发生电离（Ioni

4、ze）,电离能：,电离电位（Ionize potential）Vi=Wi/e(425V),2.激发、电离,激发(excite),在焊接电弧中，电弧电压以及焊条熔化速度均随药皮种类不同而异，这与电离电位直接有关。,激发电位（Excite potential）Vex=Wex/e,电离(Ionize),20,（Radiation）光量子（photon）,3.辐射,光谱,电弧弧柱的光，大部分都是被激发的分子和原子发出的。,21,4.电离种类,a.碰撞电离（Ionization by collision）,只有一定波长的光才能引起中性粒子的电离（高峰）,b.光电离（Photo-Ionization）,2

5、2,4.电离种类,c.热电离（Thermal Ionization）,气体一达到高温，就有一部分粒子由于碰撞而发生电离的现象。更严格地讲：所谓热电离是由中性粒子、离子、电子引起的碰撞电离，光电离等同时发生的一种状态。A+eVi A+e-。,Saha 公式,23,1.1 电弧物理基础1.1.3电子发射 1.热电子发射（Thermionic Emission）,第一章 焊接电弧,纯金属-W，C复合电极-Th,Zr,Cs,Sr（锶）氧化物涂层电极,24,2.肖脱基效应（Schottky effect）和自发射（Auto electric Emission）,3.光电子发射,4.撞击发射,25,1.1

6、 电弧物理基础1.1.4带电粒子的运动 1.电子在真空中的运动,第一章 焊接电弧,这种运动在阴极区是很有用的。,26,物理模型,粒子在电场中的运动,27,基本公式,电场方程,空间电荷密度为p(c/cm3)则三维电场中任意点的电位V和电场强度X，Y，Z（v/cm）为：,28,真空管伏安特性,计算公式,电子碰撞阳极产热为：IU=jV0碰撞传递，而在d空间无热量,29,2.带电粒子在气体中的运动,1)在低气压情况下,电子、阳离子被电场加速获得动能。电子、阳离子与中性粒子碰撞使中性粒子获得动能，中性粒子作无规则振动，但速度低。电子、阳离子作定向运动，但速度方向也是不定的。电子运动速度高，阳离子低，因此

7、，此条件下，电子温度高（几万度）而阳离子，中性粒子则温度低（比室温略高）。,2)大气中,电子、阳离子、中性粒子密度大，则发生碰撞机会多，使得各粒子的运动速度相近，电子速度略高于阳离子、中性粒子的温度。运动方式与1）相似。,30,3.迁移,物理模型,导电粒子沿着电场作用方向发生移动（运动）的过程叫迁移。,平均飞行时间,电子迁移率：,31,4.扩散（Diffusion）,粒子密度分布,物理意义：单位电场强度下的电子移动速度。,弧柱周边区电子变多，中心区阳离子更多，两区之间产生吸引力，从而阻碍电子的扩散，促进阳离子的扩散。,32,4.扩散（Diffusion）,扩散速度,33,5.复合（Recomb

8、ination）,1）阴离子,34,5.复合（Recombination）,2）电子,高温弧柱，因ue高则不易发生复合。在弧柱周边区，因多次碰撞使ue，被中性粒子浮获，形成阴离子，然后发生1情形。表达值i复合系数，一般不希望发生。,35,第一章 焊接电弧,1.2焊接电弧导电机理 1.2.1 电弧的构成,36,电弧结构,焊接电弧场强分布,37,第一章 焊接电弧,1.2焊接电弧导电机理 1.2.2 电弧各区域的导电机构,一、弧柱的导电机构,弧柱温度500050000K热电离 电子质量小，在同样 eE作用下，速度高，载流能力强，99.9%，电中性I=0.999Ie+0.001Ii，负离子流可忽略。,

9、38,弧柱导电,0.999Ie+0.001Ii,39,二、阴极区导电机构,物理模型,阴极发射Iec Ie柱（0.999I），则在阴极附近形成正电荷集积。,焊接电弧阴极区导电,任务,向弧柱提供0.999Ie,接受0.001Ii。,阴极区的形成过程,Uk,40,热阴极大电流，热发射使得Iec=0.999Ie,则Uk可以很小，甚至为0。,1）热发射型阴极区导电机构,物理模型,41,这时电场引起的阴极发射与热电离起重要作用。Ie，Ii,2）电场发射型阴极导电机构,物理模型,42,3）等离子型阴极区导电机构,物理模型,43,三、阳极区的导电机构,任务,阳极只能接收电子,一般不能发射阳离子，使得在导电过程

10、中在阳极附近（10-210-3cm）出现电子堆积，UA 即得以形成。,向弧柱提供0.001I=Ii,接收0.999I的电子。,阳极区形成过程,44,1）阳极区的电场作用下的电离,物理模型,UAUi电离，电子碰撞。,45,电流密度大，阳极温度高，阳极发生蒸发，在阳极附近产生热电离提供0.001I的阳离子和0.001I的电子流，这时UA0。,2）阳极区的热电离,UA为零,46,1.2.3 电极表面导电现象,1）阴极斑点,定义：阴极通过微小的斑点发射电子，这些斑点上的电流密度很高，称为阴极斑点。,阴极导电形式,47,形成阴极斑点的条件决定了焊接过程中一些现象的产生，即阴极表面上的热发射性能强的物质有

11、吸引电弧的作用；阴极斑点有自动跳向温度高、热收射强的物质上的性能。如果金属表面有低逸出功的氧化膜存在时，阴极斑点有自动寻找氧化膜的倾向。,电流密度：5105107A/cm 2。,形成条件,物理意义,斑点压力,48,定义：阳极上通过微小斑点传导电流，这些斑点电流密度高，斑点区域产生金属的蒸发。,2）阳极斑点,斑点形成条件,阳极导电形式,49,斑点区金属蒸发的反作用力，较阴极斑点压力小。,物理意义,斑点压力,由于阳极斑点的形成条件之一是金属的蒸发，因此金属表面覆盖 氧化膜时，同阴极斑点的情况相反，阳极斑点则有避开氧化膜而去自动寻找纯金属表面的倾向。,50,第一章 焊接电弧,1.3 焊接电弧能量转换

12、 1.3.1 电弧热能转换,电弧作用的对象:工件目的:实现焊接(连接)要求：工件熔化。为保证熔透，还需要电弧有一定的压力、搅拌力所以，电弧必须要实现电能向热能、机械能，另还伴随着光能的转换。其中以热能转换占主导地位。,51,热源是因带电粒子（龙其是电子）在外加电场的作用下运动，将位能（电场能）转变为热能、动能。,1）弧柱产热,热平衡,52,弧柱作用,2)阴极区的产热机构,53,阴极区的产热量主要用于阴极的加热和阴极区的散热损失，焊接过程中直接加热阴极（如焊丝或工件）的热量主要由这部分能量提供。,阴极区产热平衡,3）阳极区的产热机构,54,阳极产生的热量主要用于阳极的加热、熔化和散热损失，这也是

13、焊接过程中可以直接利用的能量。,阳极区产热物理模型,阳极区产热平衡,55,第一章 焊接电弧,1.3 焊接电弧能量转换 1.3.2 电弧光辐射转换,粒子获得电能产生激发释放出光能。,56,第一章 焊接电弧,1.3 焊接电弧能量转换 1.3.3 电弧机械能转换,电弧压力与等离子流力共同产生。电弧静压力变形作功 电弧动压力变形作功 电弧搅拌流动作功 熔滴加速作功,57,第一章 焊接电弧,1.4焊接电弧的电学、热学、力学特征 1.4.1 焊接电弧的电学特性,1）电弧静特性,概念：一定弧长下，电弧稳定燃烧时电弧电压与电弧电流的关系。,C极电弧,58,Negative Resistance Charact

14、eristic 负阻特性Drooping Characteristic 下降特性,C极电弧伏安特性,数学模型,59,Fe极电弧伏安特性,数学模型,60,Fe极电弧伏安特性,数学模型,61,TIG 电弧伏安特性,62,MIG电弧伏安特性,数学模型,63,概念：在一定弧长下电弧电流快速变化时电弧电压与电弧电流之间的关系。,2）电弧动特性,3）电弧功率,64,第一章 焊接电弧,1.4焊接电弧的电学、热学、力学特征 1.4.2 焊接电弧的热学特征,1）焊接电弧的热效率及能量密度,65,温度受各区产热和热平衡及电极性能决定，弧柱因散热条件差而温度高，其温度受电极的材料、气体介质、电流大小、弧柱压缩程度等

15、影响。电极温度的升高受到电极材料导热性能、熔点和沸点限制。阳极温度一般高于阴极,2）电弧的温度分布,特征,66,第一章 焊接电弧,1.4焊接电弧的电学、热学、力学特征 1.4.3 焊接电弧的力学特征,1）焊接电弧中的作用力,电磁力,67,物理模型,数学模型,68,由焊条与工件形成锥形电弧而引起的，因此与电流种类和极性无关，且运动方向总是由焊条指向工件。,等离子流力,定义,等离子流力：由等离子流的高速运动产生的气动力，也称电磁动压力。该力在中心轴线上最大。,形成原因,沿电弧轴向存在电磁压力梯度，使得电弧中的高温等离子体从电磁压力大的地方（焊丝）向低压力B区流动，形成一股等离子流，同时，又将从上方

16、吸入的新气体介质，被加热电离后继续向低压处流动。,工艺影响,方向,等离子流力除影响焊缝形状外，它还有促进熔滴过渡、搅拌熔池、增加电弧的挺度等作用。,69,熔滴短路过渡时由电磁收缩力及液柱小桥气化爆断引起，促进短路过渡，但会造成飞溅,富Ar气体射流过渡焊接时，熔化金属形成连续细滴沿焊丝轴向高速射向熔池，产生很大的冲击力，此力加上电磁力、等离子流力，极易造成指状熔深。,斑点力,爆破力,细熔滴的冲击力,70,2）影响电弧中作用力的因素,气体介质电流和电弧电压焊丝直径 钨极的极性钨极端部的几何形状电流脉动,71,第一章 焊接电弧,1.5焊接电弧的引燃1.5.1概述,1)常用引弧方法及机理 都是通过强电

17、场击穿电极与工件间隙，瞬间产生大量能参与导电的带电粒子，而后由焊接电源提供后续电流来进行引燃电弧的，而大量带电粒子的产生主要是来自电极的电子发射和气体间隙中中性粒子的电离这两种途径。,72,焊接间隙击穿后，存在一个焊接电源提供后续电流，维持能量平衡，而后进一步转换为电弧放电的过程,2)焊接引弧特点,电极形状,电极（钨极、焊条或焊丝）与工件几何形 状极不对称，造成了引弧时电场极不均匀的特点,电极间隙,电极气氛,电极供电,电极与工件间隙小,一般情况在大气压或高于大气压下进行击穿,73,电极与工件几何形状,场强分布图,74,第一章 焊接电弧,1.5 焊接电弧的引燃机理 1.5.2 TIG非接触引弧,

18、非接触引弧机理是在钨极与工件之间产生击穿，发生火花放电，再进而由电源供能转入电弧放电而实现。其中主要环节是电极与工件间的间隙击穿。非接触式引弧击穿间隙的方法有两种：即采用高频高压振荡或高压脉冲两种。,75,正钨极-工件间隙中空间电荷对外电场畸变原理图,1)高压脉冲击穿间隙的机理,钨极作为正极时,76,流柱的发展速度要比电子崩大一个数量级 11082108cm/s,正钨极-工件间隙中流柱的形成与发展,示意图,77,负钨极-工件间隙中空间电荷对外电场畸变原理图,示意图,78,负钨极-工件间隙中流柱的形成与发展,示意图,79,当焊接间隙击穿后，在间隙中存在有大量的正负带电粒子，根据气体放电原理可知，

19、这些带电粒子存在扩散，复合等消电离过程，在单位时间的复合次数和正负带电粒子的密度N+及N-成正比，可用下式表示：,间隙击穿后带电粒子的变化,数学模型,80,带电粒子数计算,与时间成反比,81,不同焊接电源对电弧引燃的时间影响,晶体管电源反应最迅速,82,放电击穿过程一般在10-610-8S,2)高频高压间隙的击穿,数学模型,83,fc=2fmax,高频高压间隙的击穿分类,判剧,84,正离子空间电荷将在电级之间振荡，新的电子雪崩将使正离子空间电荷增长直到发生击穿，由于这种累积效应，击穿发生在比静态击穿电压更低的条件下。,交流电弧击穿特性,ffmax,每次电场极性的变换，空间中没有剩余的正离子空间

20、电荷，击穿特性同于直流情形。,fmaxffc,ffc,每次电场极性的变换，空间中存在部分正离子空间电荷，这时新阴极（右边的电极）在有空间电荷的情况下，产生电子雪崩，因此，击穿电压比在直流情况下的击穿电压略低。,85,f(1061011Hz),高频击穿机理分类,判剧,86,3)常用非接触引弧装置电路分析,高频引弧器,87,高压脉冲引弧器,电路图,88,第一章 焊接电弧,1.5 焊接电弧的引燃机理 1.5.3 TIG接触引弧,1)引弧机理,89,d很小，U（击穿电压）不高电源空载电压100V,短路电流过W棒和工件。W升温，电流大（j），接触面积面积小，工件触点升温W蒸发，工件蒸发。,Id大热阴极烧

21、损、粘W；Id小，同U0低，E分布不利于流柱的发展，电弧引燃困难。而反极性时，Id要求：Id23A，各种电子弧焊电源都有较高的引燃成功率。E=106107V/cm,与高压脉冲主要区别,表现,电极与工件接触,90,第一章 焊接电弧,1.5 焊接电弧的引燃机理 1.5.4 熔化极焊引弧,特点：电极短路 由于电极与工件表面不是绝对平整的，因此短路时在那些凸点接触面上会产生大量的电阻热。这些能量促使电极与工件表面发热、熔化，甚至气化，这样就使电极或工件表面温度大大提高，间隙中中存在有金属蒸气。从而在击穿时使电极的电子发射与间隙中中性粒子的电离变得非常容易。电极存在尖端并具有微小间隙 在电极提起的瞬时，

22、电弧间隙很小，尽管只有焊接电源空载电压的作用，就可使间隙中电场强度达到很大值。,91,引弧成功率是衡量一台焊机性能好坏的重要指标之一。引弧的失败对焊接质量影响甚大。焊丝端部焊后形成的“球状物”对引弧成功有相当大的影响。,若短路后“爆断点”发生于A点附近（图1），则引弧成功的几率很大，若“爆断点”发生于C点或B点，则成功的几率很小。“爆断点”的位置与短路电流上升速度di/dt、工件与焊丝接触电阻值及送丝速度等有关。,引弧方法,1)爆裂引弧2)回抽引弧,92,熔化极爆裂引弧,示意图,93,要维持电弧空间足够的电离,须加大弧压,在恒压调节系统中,意味着弧长的下降。,易造成一次引燃失败的原因,引弧时工

23、件温度低,作为阴极的工件是要发射电子以维持焊接电流的.阴极温度低,发射同样的电子势必需要增加阴极压降,这使同样电流和电压的条件下弧长变短,意味着对恒压系统,在引弧段稳定的工作点弧长短,易于发生短路。,引弧时电弧空间刚建立,引弧时,电弧气氛中最容易电离的金属蒸气较少,热量不足,稳定的热气氛尚未建立,在同样的脉冲频率变化下,熔化速度的变化率不同,对频率由大变小,熔化速度下降快,即当弧压高,PID能迅速地降低弧长,而相反时,PID使弧长上升的速度较慢。,94,第一章 焊接电弧,1.6各种实用焊接电弧的特点及比较分析 1.6.1 概述电弧分类,95,焊接电弧分类,按熔滴过渡分类,96,第一章 焊接电弧

24、,1.6各种实用焊接电弧的特点及比较分析 1.6.2 压缩电弧与自由电弧,压缩电弧 1)等离子弧的形成通过W极内缩，强迫电弧穿过水冷喷嘴小孔而被压缩截面，即形成等离子,97,等离子弧形成,示意图,98,2)等离子弧的特性,静特性,99,等离子弧伏安特性,示意图,100,能量特性,温度和能量密度,101,扩散角TIG 45；PAW 5,挺度,示意图,102,加热特点,示意图,103,TIG电弧伏安特性,示意图,104,等离子弧伏安特性,示意图,105,第一章 焊接电弧,1.6各种实用焊接电弧的特点及比较分析 1.6.3直流、交流与高频电弧1.6.3.1交流电弧,交流电弧特点 1.周期性熄灭、引燃

25、(工作类似于可控整流)2.波形(if，uf)畸变(f非线必负载),106,2.交流电弧的波形畸变,示意图,107,3.动特性明显并与频率有关,示意图,108,4.具有整流效应,影响,导致主变压器发生过电流,交流不允许有直流,磁饱和降低焊接工艺性能,焊铝时阴极雾化作用,氧化物AL2O3 2700,109,第一章 焊接电弧,1.6各种实用焊接电弧的特点及比较分析 1.6.4颗粒过渡、短路过渡与射流过渡电弧1.6.4.1熔滴过渡的主要形式,110,形态：电弧弧根面积少，斑点力大形成条件：小电流，大弧压,1.6.4.2典型过渡方式电弧的特点,1）滴状过渡,111,Ar或富Ar，熔滴以喷射形式过渡,2）

26、喷射过渡,形成条件,分类,112,过渡熔滴的直径同焊丝直径相近，并沿焊丝轴线方向过渡到熔池中，过渡时的加速度大于重力加速度。,射滴过渡,特点,形态示意,113,熔滴体积小、过渡频率快，等离子流力大，粒子冲击力大，伴有“咝咝”声。,射流过渡,特征,形态示意,114,低弧长（28mm），铝MIG焊,电弧具有较强的固有自调节作用，可采用等速送丝、加恒流特性电源进行焊接，容易得到均匀一致的熔深。此外，亚射流过渡形式的焊缝成形美观，焊接过程稳定。,亚射流过渡,形成条件,特征,形态示意,115,熔滴过渡区的分布,伏安特性,116,概念：采用较小电流和低电压焊接时，熔滴在未脱离焊丝端头前就与熔池直接接触，电

27、弧瞬时熄灭短路，熔滴在短路电流产生的电磁收缩力及液体金属的表面张力作用下过渡到熔池中,电弧 燃烧-熄弧-燃烧-熄弧熔滴 长大-短路-长大-短路,3）短路过渡,短路过渡过程的特点,117,CO2焊电弧燃烧过程波形特征,示意图,118,di/dtIm du/dt,电弧电压 送丝速度焊接回路电感,2.短路过渡的稳定性,动特性,短路过渡频率,119,CO2焊电弧燃烧过程时间分区特征,示意图,120,送丝速度对CO2焊过渡频率影响,示意图,121,条件：涂料焊条手弧焊，埋弧焊,电感对CO2焊过渡频率影响,4)渣壁过渡,示意图,2023/7/19,122,2.1 引言2.2等速送丝弧长控制 2.3均匀调节

28、弧长控制 2.4固有调节与均匀调节同时作用的弧长控制,第二章 焊接电弧弧长控制,2023/7/19,123,2.1 引言,第二章 焊接电弧弧长控制,运用自动控制理论，将电弧焊过程视为一个控制系统，将电弧焊过程的各个环节写成运动方程，对这些方程进行拉氏变换，综合各环节的拉氏变换式，从而求得整个系统动态过程的互动关系以及动态过程的数学表达式。运用这些理论，可以深入地了解弧焊过程的物理本质：分析各种干扰所造成的弧长稳态偏差和动态偏差；分析各种参数对弧长恢复过程的影响：提供改进系统性能的方向和方法。,124,简化分析假定,熔化过程是均匀的；焊炬与工件距离不变；忽略焊丝伸出长度对负载电压及熔化速度的影响

29、,125,自动电弧焊物理模型,自动焊系统,126,自动电弧焊接弧长稳定控制系统,等速送丝的弧长固有调节系统弧压反馈控制送丝速度的均匀调节系统均匀调节和固有调节同时作用下的调节系统,2023/7/19,127,2.2 等速送丝弧长控制,第二章 焊接电弧弧长控制,等速送丝电弧控制系统定义 指焊接过程中送丝速度不变，弧长调节作用是通过弧长变化引起的电流变化来实现的电弧控制系统。,128,焊接过程可用以下运动方程进行描述,焊接回路电压方程,Up焊机输出端电压；L 焊接回路电感：i 焊接电流瞬时值；Ua电弧电压 R 焊接回路电阻；,129,焊接过程可用以下运动方程进行描述,电弧电压方程,式中 La 弧长

30、；I 焊接电流有效值；ka，kp，Uc电弧参数。,130,焊接过程可用以下运动方程进行描述,焊丝熔化速度方程,Vm焊丝熔化速度；km焊丝熔化系数,131,焊接过程可用以下运动方程进行描述,弧长方程,132,焊接过程可用以下运动方程进行描述,焊机特性方程,Ru焊接电源电压给定参考量；k0焊接电源放大系数；kl电流反馈系数。,133,等速送丝电弧焊系统,控制系统的传递函数,k10 下降外特性；k10 水平外特性；k10 上升外特性,k1为电源外特性斜率,134,系统稳定性,k1k0k,kR+kp 系统不稳定，电流和弧长都没有稳态值；kR+kp 系统处于临界稳定状态；kR+kp 系统是稳定的。,13

31、5,等速送丝电弧控制系统控制框图,拉氏变换,136,小结,传统的等速送丝电弧控制系统,电源外特性斜率k0，都属于kR+kp范围，所以系统都是稳定的。R使焊机输出外特性下降，R越大，下降斜率越大；kp代表电弧静特性上升情况，kp越大则电弧外特性随电流增大而上升，斜率增大。k表示焊机正反馈强度，亦即外特性上升斜率大小。K=R+kp，电弧处于不确定状态，亦即系统处于临界稳定状态；kR+kp，电弧不稳定；kR+kp，电弧可以稳定燃烧,137,系统的动态品质参数,阻尼比,衰减系数,阻尼振荡频率,无阻尼自振频率,138,阻尼系统,讨论,139,实际等速送丝电弧控制系统,第一类焊接电弧控制系统瞬态响应有关参

32、量,目前生产中应用的等速送丝电弧控制系统一般都处于过阻尼状态,140,2.2 等速送丝弧长控制,弧长自调节性能,在电弧焊过程中，有各种因素对它产生干扰，使弧长发生变化。弧长受到干扰后是否能迅速恢复，是否能恢复到原有的水平，决定焊接过程的稳定性和质量。干扰的因素主要有三种：电网电压的波动；送丝速度的干扰：工件与导电嘴间距离的变化。,141,弧长自调节性能,1）送丝速度变化时,送丝速度干扰与弧长变化之间的关系,若送丝速度的干扰是幅值为Vf的阶跃输入,142,1）送丝速度变化时,系统的弧长对上述干扰响应,根据终值定理，可以计算出弧长在上述干扰下的稳态偏差,143,小结,送丝速度干扰影响电弧稳定值,随

33、着送丝速度的增加，弧长减小；在同样的送丝速度干扰下，电源外特性斜率越大(在稳定的范围内)弧长变化越小；弧长的变化量还跟焊丝材料直径以及焊接回路和电源内阻有关。,因此这种系统对送丝速度干扰的适应性较差,144,2）工件与导电嘴距离的变化,工件与导电嘴距离干扰(s)对系统的影响,如果弧长干扰是幅值为负的阶跃干扰，则在此干扰下，弧长的偏差,145,2）工件与导电嘴距离的变化,弧长的稳态偏差为0,146,小 结,喷嘴高度干扰不影响弧长稳定,弧长在上述干扰下弧长瞬时变化情况,若1，即(R+kp-k)24Lkakm则S1很大，S1S2,147,举 例,干扰出现前La=6.5mm，I=153A,设电源和电弧

34、参数为：k0，R=23.5m，L10H，ka0.716Vmm，kp0.0245VA，N-3mm，km0.43mm/As,148,等速送丝电弧控制系统对弧长干扰的响应,干扰出现前La=6.5mm，I=153A,149,等速送丝电弧控制系统对弧长干扰的响应,干扰出现前La=6.5mm，I=153A,150,弧长恢复速度以及焊接电流值的变化,干扰出现前La=6.5mm，I=153A,151,2.2.2 系统主要参数对动态性能的影响,1)电源外特性斜率的影响,对于直径为1.2mm钢焊丝，若电弧和回路参数ku=o.716、k=0.0245、R=19m、L0.3mH,152,最佳外特性,=0.7,153,

35、2)焊接回路参数影响,电感影响,阻尼比,无阻尼自振频率,阻尼振荡频率,衰减系数,L大降低动态品质,L大增加送丝速度对弧长干扰,154,2)焊接回路参数影响,回路电阻影响,回路电阻虽然也对系统的动态和静态性能产生影响，但是由于焊接电流较大，应该尽量减少回路电阻，以减少不必要的能量损耗。,155,3)焊丝直径以及电弧参数的影响,焊丝直径小弧长抗干扰能力强,无阻尼自振频率,156,等速送丝弧长控制总结,优点,焊接规范的稳定性的改善和弧长自调节作用的提高是矛盾的。因为电弧的自调节作用是靠焊接电流的变化而获得的。自调节作用越强，电流变化越大，熔滴过渡的稳定性和电弧燃烧的连续性就越差。这个矛盾在MIG电弧

36、焊中尤其突出。,缺点,系统简单，成本低,2023/7/19,157,定义,2.3 均匀调节电弧控制系统,均匀调节系统是通过改变送丝速度来调整弧长。,2.3.1控制系统传递函数,送丝系统运动方程,158,数学模型,参数说明,Ea电枢电压；La电枢绕组电感：Ra电枢绕组电阻；Ia电枢电流：J 电动机及机械负载折算到电动机轴上转动惯量；f 电动机及机械负载折算到电动机轴上的粘性摩擦因素 电动机轴的角位移：Vf送丝速度：k3，k4，p常数。,159,送丝系统,控制框图,160,送丝系统,传递函数,161,均匀弧长调节系统,控制框图,162,均匀弧长调节系统,传递函数,动态品质,163,2.3.2系统主

37、要参数对动态性能影响,1）送丝系统时间常数,Tm增大，阻尼比减小，超调量增加，容易引起振荡 Tm增大会使n、d、和减小，调整时间增加，系统动态品质下降,措施：减小转动惯量J，增加摩擦因素f都可以减小送丝机构的时间常数。此外还可以在送丝电动机的控制电路中引入送丝速度负反馈，并加入适当的校正环节和电动机制动措施,164,2.3.2系统主要参数对动态性能影响,2）焊丝直径的影响,焊丝直径减小时，弧柱直径变小，ka值增加，阻尼比减小，系统超调增加，甚至会出现振荡。,措施：如果送丝机构的时间常数Tm能够大幅度减小，那么在保证值不变的条件下ka值可以大幅度增加，可以使用的焊丝直径将大大减小。,165,2.

38、4均匀调节和固有调节共同作用下的电弧控制系统,控制框图,166,2.4均匀调节和固有调节共同作用下的电弧控制系统,传递函数,系统稳定的条件为,167,2.4均匀调节和固有调节共同作用下的电弧控制系统,在kR情况下，两种系统都处于负反馈状态,均匀调节作用较固有调节作用较弱时，外特性斜率的增加会使增加，调整时间减小，系统动态品质较好；,均匀调节作用较固有调节作用强，外特性斜率的增加会使减小，调整时间增大，系统动态品质变差。,168,均匀调节和固有调节共同作用下的电弧控制系统,等速送丝弧长调节系统时采用平特性电源均匀调节系统采用陡降特性电源,169,2.4均匀调节和固有调节共同作用下的电弧控制系统,

39、在kR情况下，两种系统都处于负反馈状态,170,3.1短路电弧过渡控制 3.2脉冲电弧过渡控制 3.3旋转电弧过渡控制,第三章 熔滴过渡控制,171,3.1短路电弧过渡控制,3.1.1 STT法3.1.2 CMT法,172,3.1短路电弧过渡控制,背景,CO2气体保护焊自20世纪50年代问世以来，以其成本低、高效节能、操作简单、便于实现自动化等优点倍受关注。但是，CO2焊由于熔滴以短路过渡为主，在施焊过程中存在飞溅大、焊缝成形差两大缺点。,173,3.1.1 STT法,背景,CO2焊飞溅产生及焊缝成形差原因分析,CO2焊的熔滴过渡周期包含燃弧和熔滴短路过渡两个阶段。在熔滴短路过渡阶段，又可分为

40、熔滴短路过渡初期、熔滴颈缩形成和短路过渡末期三个阶段。根据研究，飞溅的产生往往发生在短路过渡初期和短路过渡末期。短路过渡初期产生的飞溅，有些学者也称之为瞬时飞溅，主要原因是在熔滴与熔池刚接触上的瞬间，由于熔滴还没有在熔池铺展开，如果此时电流过大或电流上升速度过快，熔滴就会被迅速增长的电磁力排斥出熔池而形成飞溅。对于短路过渡末期飞溅产生的解释，目前广为接受的是电爆炸理论。电爆炸理论认为在短路过渡末期，短路过程中形成的液体小桥由于被电流急剧加热，过量的能量积聚导致液桥汽化爆炸，引起飞溅。,174,3.1.1 STT法,背景,CO2焊接时存在焊缝成形差，主要与燃弧阶段有关。在燃弧阶段，如果燃弧时间加

41、长，燃弧时的电弧功率加大，那么焊缝成形就较好。然而，在细丝CO2焊接的一个周期内，由于要兼顾短路过程，燃弧时间比其它焊接工艺都要短；同时，为了满足焊接薄板及全位置施焊的要求，必须选择低电压、小电流的焊接规范，这就使燃弧的能量少，熔池小。因此，采用常见的CO2气体保护焊机焊接时会发生焊缝表面不光滑、熔深浅、焊缝窄、很容易产生未熔合等工艺缺点。,175,3.1.1 STT法,STT熔滴控制法思路,表面张力过渡的基本思想由前苏联乌拉尔大学宾丘克在20世纪80年代提出。美国林肯公司在1993年率先推出应用该理论的弧焊电源，这种技术成为STT（The Surface Tension Transfer）。

42、是是在逆变频率为20KHz的场效应管逆变焊机的基础上，将短路过渡过程细分为基值电流段（T0-T1），液桥形成段（T1-T2），颈缩段（T2-T3），能量减少段（T3-T4），熔滴断落段（T4-T5），再燃弧段（T5-T6），燃弧后期段（T6-T7）等几个阶段进行控制。在熔滴颈缩形成小桥的前后时间段，将电流迅速减小（以微秒计），使熔滴靠自身的表面张力从焊丝向熔池过渡，而小桥段内以大电流快速使小桥颈缩，以实现无飞溅，这就是STT名称的由来。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，因而可以在大幅度减少飞溅和烟尘的同时更好地控制热量的输入，得到合适的熔深和完整的背面成形。,176,

43、3.1.1 STT法,STT控制电流与电压波形示意图,177,3.1.1 STT法,STT原理剖析,178,3.1.1 STT法,理想的电流电压波形设计,Iab-维弧电流Iap-燃弧峰值电流Trh-燃弧期间Isp-短路峰值电流Isb-短路基值电流Tdl-短路期间,179,3.1.1 STT法,理想的电流波形设计,180,3.1.1 STT法,控制目的,波形控制法的最终目的是要实现CO2焊无飞溅、获得优质焊缝的焊接过程：根据上述对飞溅产生的原因和焊缝成形差的分析，如果在CO2焊焊接过程中能够满足以下的电流电压波形要求，那么将实现CO2焊无飞溅、获得优质焊缝的工艺效果。在燃弧阶段，提供足够大的电流

44、电压，保证燃弧能量。在短路初期，应抑制短路电流及增长率，使熔滴与熔池在较小的电流下接触并顺利铺展；在熔滴颈缩形成阶段，为了促进液桥收缩，减小短路时间，保证熔滴顺利过渡，熔滴在熔池表面有所铺展后，应尽量迅速提高流过液桥的电流Isp，以增加电磁收缩力，促使液桥收缩；,181,3.1.1 STT法,控制目的,同时，应针对不同焊接规范设定合适的Isb值（短路基值电流）。如果Isb值太大，会使液桥收缩过快，电控系统难以满足要求；如果Isb值太小，会使液桥不能继续收缩或收缩过慢，出现短路时间长或发生固体短路。在短路末期，当检测到液桥颈缩到即将破断时，应使电流降低水平。颈缩液桥在小电流条件下，主要依靠表面张

45、力破断并重新引燃电弧，从而避免大电流下的电爆炸及对熔池的强烈冲击，有效抑制飞溅。在液桥柔顺破断后，加上一定幅值和宽度的燃弧电流脉冲Iap，保证顺利引弧，同时避免再引弧对熔池的产生强烈冲击，还能起到调节热输入，改善焊缝成形的作用。,182,3.1.1 STT法,实现途径,183,3.1.1 STT法,实现途径,184,3.1.1 STT法,实现途径,185,3.1.1 STT法,实现途径,186,3.1.1 STT法,实现途径,187,3.1.1 STT法,实现途径,188,3.1.1 STT法,实现途径,189,3.1.1 STT法,实现途径,190,3.1.1 STT法,实现途径,191,3

46、.1.1 STT法,实施途径,192,3.1.1 STT法,实施途径,193,3.1.1 STT法,实施途径,194,3.1.1 STT法,实施效果,195,3.1.1 STT法,CO2焊接方法的飞溅率比较,196,3.1.1 STT法,工艺参数对CO2焊接飞溅的影响-峰值电流,197,3.1.1 STT法,工艺参数对CO2焊接飞溅的影响-基值电流,198,3.1.1 STT法,工艺参数对CO2焊接飞溅的影响-送丝速度,199,3.1.1 STT法,工艺参数对CO2焊接飞溅的影响-干伸长,200,3.1.1 STT法,工艺参数对CO2焊接飞溅的影响-气体流量,201,3.1.1 STT法,工艺

47、参数对CO2焊接飞溅的影响-焊接速度,202,3.1.1 STT法,工程应用,203,3.1.1 STT法,工程应用,204,3.1.1 STT法,工程应用,205,3.1.1 STT法,工程应用,206,3.1.1 STT法,工程应用,207,3.1.1 STT法,工程应用,208,3.1.1 STT法,工程应用,焊接工艺参数,209,3.1.1 STT法,工程应用,210,3.1.1 STT法,工艺应用-打底焊,211,3.1.1 STT法,工艺应用-打底焊焊接工艺参数,212,3.1.1 STT法,工艺应用-打底焊坡口形式,213,3.1.1 STT法,设备特点,214,3.1.2 CM

48、T焊接法,1 概念,2 背景,215,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,1）伏安特性,216,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,2）电弧控制,217,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,熔滴短路时输出电流为零，同时焊丝回抽,2）电弧控制,218,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,3）工艺特点,219,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,3）工艺特点,220,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,3）工艺特点,221,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,3）工艺特点,222,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,3）工艺特点,223,3.1.2 CMT焊接法,3

49、 技术原理,3）工艺特点,224,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,225,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,226,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,227,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,228,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,229,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,230,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,231,3.1.2 CMT焊接法,3 技术原理,4）优点,232,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,1）整体装置,233,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,

50、2）组成,234,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,2）组成,235,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,2）组成,236,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,2）组成,237,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,2）组成,238,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,2）组成,239,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,2）组成,240,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,241,3.1.2 CMT焊接法,4 设备组成,242,3.1.2 CMT焊接法,5 设计思想,243,3.1.2 CMT焊接法,5 设计思想,244,3.1.2 CMT焊接法,5 设计思想,2