關于焊接電弧及熔滴控制第1頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日無磁場焊接電弧特性第2頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日無磁場時電弧區域帶電粒子的運動：1.帶電粒子的熱運動2.外加電場作用下帶電粒子的運動3.帶電粒子在電弧自身徑向(橫向)電場作用下的運動4.因徑向帶電粒子濃度差異引起的擴散運動無磁場焊接電弧特性第3頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日

無磁場時對于熔滴上的作用力1、重力2、表面張力3、電弧力（電磁收縮力、等離子流力、斑點壓力）4、爆破力5、電弧氣體吹力

無磁場時熔滴過渡的主要形式1、自由過渡（粗滴過渡、排斥過渡、細滴過渡、射滴過渡、射流過渡、旋轉射流過渡、爆炸過渡）2、接觸過渡（短路過渡、搭橋過渡）3、渣壁過渡（沿渣殼過渡、沿套筒過渡）無磁場焊接電弧特性第4頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日一、熔滴過渡傳統控制方法

傳統的方法是在焊接回路中串聯一個電感，限制短路電流上升速度di/dt以及短路電流峰值Imax并且電感在短路期間儲存的能量在燃弧期放出，有助于增加燃弧能量，對獲得良好的焊縫成形有利。目前國內大量使用的CO2焊機多采用這種方法。當電感量小時，di/dt大，短路峰值電流Isd也大，燃弧電流衰減很快，并接近于0，如圖2-2(a)。當電感合適時，di/dt較小，Isd不高，燃弧電流衰減較慢，如圖2-2(b)。當電感較大時，di/dt很小，Isd保持一段時間之后小橋才能爆斷，如圖2-2(c)。顯然，電感較小時，容易產生小顆粒飛濺，而電感較大時容易產生大顆粒飛濺，當電感很大時，由于di/dt很小，焊絲與熔池接觸處來不及爆斷，而使焊絲與熔池發生固體短路，難以爆斷。無磁場熔滴控制方式第5頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日二、熔滴過程脈動送絲控制方式（CMT控制）脈動送絲方式主要是通過特殊的送絲機構，采用“一送一停”的脈動方式進行，使熔滴過渡變得有規律，通過對焊絲直徑、電阻熱、停送時間、送絲距離及速度的控制，達到細化熔滴尺寸的目的。在送絲步距和送絲頻率合適的情況下，CO2焊中的熔滴過渡一改等速送絲時的雜亂無章，而變成一步一個熔滴，即每一次送絲都造成一次短路過渡，過渡的頻率等于脈動送絲的頻率，熔滴形成后，焊絲高速推進，將熔滴送入熔池完成短路過渡，這種強制性短路過渡方式有利于克服阻礙熔滴過渡的斑點壓力，使熔滴順利進入熔池，大大降低飛濺且不易形成咬邊缺陷。這種方式的另一個特點是不必過分控制電弧電壓及焊接電流，適用于大范圍的焊接要求。其不足在于難以保證焊絲動作與熔滴過渡的同步，機械結構復雜。脈動送絲的實現方式有很多，比如送絲回抽、凸輪脈動送絲和焊接電流波形聯合控制等。無磁場熔滴控制方式第6頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日送絲回抽，是利用機械力來協助或控制液橋過渡的方法。這種方法的意圖是通過焊絲的瞬時回抽，用機械力來實現液橋過渡，避免液橋后期在大電流下爆炸。在短路液橋收縮過程中的后期，在適當的時機，降低液橋電流，通過控制焊絲回抽來拉斷液橋。由于該方法是意圖在低電流條件下用機械力來拉斷液橋，在原理上，可以避免液橋在大電流下的爆炸和飛濺。但是，焊絲回抽系統的動態響應很難達到理想的程度，焊絲回抽系統的動態響應決定于檢測和控制系統的動態響應、電機和減速機械系統的動態響應以及焊絲在送絲軟管中運動的動態響應三部分組成。由于焊絲由送進變為回抽所需的過渡時間太長，無法保證焊絲的運動與液橋收縮和電流控制同步。由于送絲軟管的存在，焊絲在軟管里的運動是一個具有彈性的過程，從送絲輪的運動到焊絲末端的運動有一個相對于熔滴收縮的時間長得多的滯后，因此為保證焊絲末端的運動與電流控制、液橋收縮的同步，需要對送絲系統和焊槍部分進行專門研發設計，導致成本大大增加，不利于使用和推無磁場熔滴控制方式第7頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日(1)t0～t1階段基值電流為50～100A，是形成熔滴的階段，電流恒定。(2)t1～t2階段在基值電流下，焊絲端部熔滴在表面張力作用下形成近似球狀，熔滴一旦接觸熔池，電弧電壓立刻提供反饋信號，基值電流很快降到10A左右，表面張力開始吸引熔滴從焊絲向熔池過渡，形成小橋。(3)t2～t3為縮頸階段，此階段電流上升到一個較大值，由于電磁收縮力的作用，加速了熔滴縮頸。(4)t3～t4為熔滴的過渡階段，隨著縮頸的形成，小橋電阻增大，在小橋斷裂前，電流很快減小，小橋在表面張力的作用下，實現無飛濺過渡。(5)t5～t6階段為熔滴已通過表面張力作用過渡到熔池，同時增加電流使焊絲熔化形成熔滴。(6)t6～t7階段是形成熔滴后，電流降到基值電流，抑制熔池攪拌，準備進行下一次的過渡循環。ThemetaltransferprocessduringCMTprocess(frame/1ms).無磁場熔滴控制方式第8頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日三、熔滴過渡組合外特性控制

由于CO2焊接短路過渡各階段需要不同的電源外特性，國內外學者又提出了通過組合外特性控制飛濺的方案。這種方案針對特定階段，定時切換電源外特性。其方法實質上與電流波形控制類似，不同之處是不同的外特性對電弧具有不同的調節作用。無磁場熔滴控制方式第9頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日1.雙階梯形外特性控制圖2-3為雙階梯形外特性示意圖，包括3條恒流特性、1條恒壓特性和兩條上升特性，電弧的工作點在3條恒流特性間跳動，具有良好的自調節作用。當焊接過正常進行，弧長穩定，電弧工作在ib段上，此時恒定的燃弧電流可以使電弧穩定的燃燒。若弧長變短，弧壓下降，工作點跳至恒流段ic上，則由于電流的增加，加快了焊絲的熔化速度，使弧長增加，工作點重新回到ib段。反之，若弧長變長，使得電流工作點跳至ia段，則會因電流ia僅僅具有維弧功能，無法熔化焊絲而使弧長變短，工作點也會重新回到ib段。該方法可以有效地減少焊接飛濺，但是復雜的外特性曲線需要復雜的控制系統。隨著焊接參數的改變，外特性曲線也需作相應調整，設計上比較復雜。無磁場熔滴控制方式第10頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日2.復合外特性控制

這種控制方法是將短路液橋收縮過程和電弧過程分為燃弧、短路瞬間、液橋的頸縮、爆斷以及電弧重新引燃等瞬時過程，根據每一瞬時過程理想狀態下需要的電流、電壓值，設計出相應的理想外特性，并實現這些外特性段的自動連接和自動轉換。下圖為復合外特性控制法示意圖。這種控制的特點為：1)當熔滴與熔池發生短路時，電源輸出一個很小的電流，讓熔滴在熔池表面鋪展，防止瞬間短路飛濺的發生；2)當熔滴在熔池表面鋪展，形成穩定的液橋后，電流以較高的增長率上升到適當的短路峰值電流，使短路液橋在該電流下收縮，形成頸縮；3)到了短路液橋收縮的后期即將爆斷前的瞬間，短路電流迅速降低，液橋在小電流下斷開，減少液橋爆斷時飛濺的產生；4)在液橋斷開，電弧重新引燃的同時，電源會立即在一段時間內輸出熔深控制特性，產生一個較強的燃弧脈沖電流，增加燃弧能量和焊縫熔深，該熔深控制外特性的作用時間可以根據熔深的要求進行調節和預置，以便在相同的送絲速度下獲得不同的熔深；5)在燃弧脈沖過后電弧會自動進入弧長檢測和控制狀態，使電弧長度和熔滴大小受到控制。無磁場熔滴控制方式第11頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日無磁場熔滴控制方式第12頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日3.三維外特性控制

該方法把焊接電源的外特性用方程表示為：f(i,u,t)=0，反映在二維i、u平面內是一系列曲線，根據負載變化的不同時刻，調整工作點，以輸出最佳電流、電壓，達到控制電弧的目的。焊接過程中電弧究竟在哪條曲線上燃燒取決于時間t。t與電弧負載及最佳焊接質量一一對應。在焊接過程中，當負載狀態發生變化時，電源會根據焊接工藝的要求將電弧工作點調整到合適的外特性曲線上，以輸出最符合需要的電流和電壓，從而控制焊接電弧的工藝性能。通過采用外特性的組合控制，很大程度上彌補了傳統控制方式產生的難以兼顧短路過程兩個階段對電路需求的問題。然而，這種方法還是不能避免液橋頸縮在短路峰值電流下爆斷，控制飛濺的效果并不令人滿意。無磁場熔滴控制方式第13頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日四、熔滴過渡的波形控制方式

隨著逆變技術及對飛濺機理的認識不斷深入，具有分時控制特點的波形控制法便應運而生了。人們已認識到必須在熔滴過渡的不同時刻迅速進行相應的控制，滿足過渡熔滴的受力和受熱的不同需要，這樣才能既保證穩定的過渡過程又可最大程度地減少飛濺。即在頸縮形成過程，提高電流上升速度，促進頸縮形成，而在短路過渡后期，降低電流，使液橋爆破在低的爆炸能量下完成，獲得無飛濺的短路過渡過程。無磁場熔滴控制方式第14頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日針對傳統控制方法的不足，焊接工作者提出了負脈沖誘導波形控制法，這就是一種粗糙調節的波形控制方法。其原理是在熔滴與熔池即將發生接觸短路的瞬間，給焊接電流附加一個負脈沖，使阻礙熔滴過渡的電弧力減小，從而誘使短路過程平穩進行而且減小瞬時短路引起的飛濺。當短路進入穩態以后再結束負脈沖，使電流迅速上升促使熔滴小橋在電磁收縮力和表面張力的共同作用下產生頸縮，并斷開完成熔滴過渡。無磁場熔滴控制方式第15頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日1.表面張力過渡

1993年9月在德國埃森第十三屆國際焊接與切割博覽會上，美國林肯電氣公司展出了一種利用表面張力控制熔滴短路過渡的電源，并稱該技術為STT(TheSurfaceTensionTransfer)技術，其以柔和的電弧、極小的飛濺和極佳的打底焊質量引起人們的關注。它是在逆變頻率為20kHZ的場效應管逆變焊機的基礎上，將短路過渡過程細分為：基值電流段、熔滴鋪展段、頸縮段、能量下降段、液橋爆斷段、重燃弧段等6個階段進行控制。在熔滴頸縮形成小橋的前后時間段，將電流迅速減小（以微秒計），使熔滴靠自身的表面張力從焊絲向熔池過渡，而小橋段內以大電流快速使小橋頸縮，以實現無飛濺。另外，STT技術的一個重要而全新的特點是其焊接電流與送絲速度無關，因此可以在大幅度減少飛濺和煙塵的同時更好的控制熱量輸入，而得到合適的熔深和完整的背面成形。下圖STT波形控制示意圖無磁場熔滴控制方式第16頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日2.能量控制法

這種方法的核心思想在于通過電源輸出合適的電流、電壓波形，從而控制調節熔滴的能量來達到減小飛濺的目的。在熔滴剛開始短路的一小段時間內將電流從基值調節到某一定值，使焊絲可靠插入熔池，接著發出高能脈沖電流，促使短路小橋頸縮，然后小橋斷裂分離，將電弧重新引燃。再用較高電流維持一段時間，以增加重燃電弧的能量，改善焊縫成形，之后電流回到基值，完成一次熔滴過渡的能量控制。基值電流較小，用于維弧并使焊絲末端均勻熔化，避免形成較大小球。能量控制波形如下圖所示。無磁場熔滴控制方式第17頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日3.智能控制

焊接電弧有非線性、時變性的特點，難以建立精確的數學模型，而智能控制通過神經網絡、專家系統、模糊控制等技術無需建立精確的模型而實現最佳控制。下圖智能控制示意圖。圖中有7個可控參數，其中短路峰值電流iSP、短路峰值電流持續時間tS1、電弧燃燒時間tA0、電弧重燃時刻的電流iAP、基值電流iAB等5個參數是通過智能控制來實現預制及控制的。這些參數值的確定需經過大量的工藝試驗得到他們相對于飛濺量最小的優化值，然后將最優值存于CPU中。實際控制中由智能控制器根據這些值確定動態控制過程。將經過大量工藝試驗確定的最優值存入CPU，提供給智能控制器進行最優參數控制，這樣操作使用者只需設定保護氣類型、焊絲直徑及焊接電流，智能控制器便可決定與電流對應的焊接電壓(可調)并根據所設定的5個參數的最優值對焊接過程進行智能控制。無磁場熔滴控制方式第18頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日4.DUOPlusTM在MIG焊中的應用DUOPlusTM專有的脈沖焊接技術,其特點是可以實現兩個焊接次序間的自動切換。可以任意設定焊接電流的基值、峰值時間和電流值,實現焊接電流的脈動輸出;同時焊絲會隨著電流脈沖的輸出而脈動送給,完全實現一脈一滴的噴射過渡形式。第19頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日外加磁場對電弧運動的影響第20頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日外加磁場對電弧運動的影響第21頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日外加磁場對帶點離子的影響電子在電場和磁場共同作用下的受力狀況及電子運動的速度分量如圖3所示。電子的運動軌跡為繞軸線的螺旋線如圖4所示。第22頁，共28頁，星期日，2025年，2月5日外加磁場對于焊接熔滴的作用力當施加磁場控制之后，焊接電弧以及焊絲端部的液