CO2气体保护焊短路过渡控制技术的研究现状与展望

CO2气体保护焊因成本低、生产率高等特点,广泛应用于制造业。随着制造业节能减排的需求日益增加及汽车轻量化概念的推广,制造业对薄板焊接的要求不断提高,传统的焊接方式已不能满足其要求。CO2短路过渡焊相对于传统的焊接方式(钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、激光焊等),具有高热稳定性、低热输入、低熔深等特点,但其焊接飞溅大、焊缝成形差,从而限制了其广泛应用。CO2短路过渡焊接过程是由燃弧阶段与短路阶段组成的复杂的非线性时变系统,熔滴过渡过程决定了焊接过程的稳定性与焊缝成形的优劣。燃弧阶段熔滴在电磁收缩力、表面张力、等离子流力、金属蒸发反作用力等多种力的共同作用下长大并与熔池接触短路,同时形成稳定液桥。短路阶段,液桥在表面张力、电磁收缩力和粘滞力的作用下形成缩颈并断开。燃弧阶段的熔滴尺寸、振荡特性,短路阶段熔池的振荡特性、峰值电流都对熔滴过渡稳定性有十分重要的影响。针对短路过渡焊飞溅产生机制的研究表明,熔滴、熔池的氧化还原反应、短路前期产生的瞬时短路和短路末期液桥电爆炸是导致焊接过程不稳定及产生飞溅的主要因素。国内外众多焊接研究者针对CO2短路过渡焊熔滴过渡过程及控制技术进行了大量的研究与探索,研究工作主要分为四个方向:焊接材料成分的优化,基于焊接电源输出电信号的熔滴过渡建模及控制,基于视觉传感技术的熔滴过渡控制和基于磁控技术的CO2短路过渡焊接技术。活性焊丝和药性焊丝的推广可有效降低焊接飞溅;波控技术及衍生的CMT技术在使用小电流参数焊接时取得了优异的焊接效果;中、小电流参数条件下,磁控焊接技术可有效解决焊接飞溅和成形差问题。本文从焊丝、电源、外加磁场形式和工艺四个方面综述了国内外CO2气体保护焊短路过渡控制技术的研究现状,首先分析了CO2短路过渡焊焊接飞溅的产生机理,其次介绍了典型的CO2气体保护焊短路过渡控制技术的原理、特点和局限性,分析了不同短路过渡控制技术的特点,最后阐述了目前短路过渡控制技术在研究和应用过程中存在的问题及解决办法,并对该领域下一步发展趋势进行了展望。     

短路过渡CO_2焊的新控制法

本文研究了一种短路过渡 CO_2焊的新控制法,该法可限制短路峰值电流,并采用特殊装置增加燃弧电流。新控制法可以明显地减小飞溅,改善焊缝成形和扩大合理的焊接规范区。     

短路过渡CO2焊过程中能量分配的研究

分析了短路过渡ＣＯ２焊过程中焊丝和母材的受热机理,指出传统焊接工艺中以平均电流作为预测标准的局限性,提出了平均短路电流和平均燃弧电流的概念,并建立了焊接参数的采集与分析系统,用于对以上分析进行实验验证与讨论。     

CMT能量输入特点与熔滴过渡行为

为分析CMT焊接方法的工艺特点,采用高速CCD摄像机建立了电弧形态和熔滴过渡视觉传感系统并且通过电流、电压传感器建立了波形采集系统,以此分析其能量输入特点和熔滴过渡行为.结果显示,CMT焊接波形控制呈现典型的直流脉冲特征,焊接时热输入较低;在CMT短路过渡过程中,熔滴尺寸随焊接电流的增加幅度不大,将熔滴尺寸控制在一定范围内可实现稳定的短路过渡.CMT短路过渡通过焊丝回抽,避免了大的电磁力,有效地消除了飞溅.当电流增大到一定值时,其过渡形式将转变为射滴过渡和短路过渡的混合过渡.     

脉冲MIG焊熔滴过渡最佳方式的控制

基于一个脉冲过渡一个熔滴且熔滴体积不变的思想,提出了在峰值电流和基值电流不变的条件下采用送丝速度预置和峰值弧压调节峰值时间与基值时间的控制方式。试验结果表明:采用这种控制方式,能够在不同送丝速度或不同干伸长下实现一个脉冲过渡一个熔滴且熔滴体积基本不变。     

钛合金交替供气GMAW焊接研究

研究了钛合金GMAW保护气交替供气方式对TA2平面堆焊焊缝的影响。利用高速摄像、电流传感器对焊接过程电弧形态、熔滴过渡、电流信号等信息进行采集,并记录焊缝的形貌特征,试验结果表明,交替保护下熔滴过渡方式为细滴状轴向过渡和粗滴状非轴向排斥过渡的混合过渡模式;平均焊接电流随时间延长以类似正弦波上下交替变化,变化频率与交替频率保持一致;相比Ar气、预先混合气,交替保护能够获得熔深更深、熔宽更宽的焊缝。     

粗丝CO_2气体保护焊熔滴过渡与潜弧机理的研究

本文详细分析了粗丝CO_2气体保护潜弧焊熔滴过渡的特点和潜弧机理。潜弧状态可以分为三种类型:半潜弧(熔滴主要以较大的颗粒形式过渡)、临界潜弧(熔滴主要以较小颗粒的射滴形式过渡)和深潜弧(熔滴以细小射滴与射流混和形式过渡)。大电流、低电压、粗焊丝、反极性和氧化性气氛是形成潜弧过程的必要条件,其中电流是最重要的条件。潜弧后弧柱气氛改变,焊丝端部的弧根由集中形态扩展为覆盖整个端部形态,使得熔滴尺寸变得细小,熔滴过渡形式发生变化。采用临界潜弧区域的焊接规范参数施焊,飞溅小,工艺过程稳定,焊缝成形优良。     

短路过渡电弧的Lyapunov指数分析

为了更好地理解短路过渡气体保护电弧焊的不稳定性,尝试用混沌理论研究这一现象.介绍了A.Wolf理论和相空间重构理论,论述了用于选择重构参数的改进虚假邻近点法和重构信号强度法.利用这些相关的混沌理论及算法,对较稳定和不稳定的两组电流波形数据的最大Lyapunov指数(LE)进行了计算与分析.结果表明:短路过渡电弧是一个复杂的混沌过程,且随着电弧的不稳定性增加,该过程的混沌性增加;最大LE可用于表征短路过渡电弧的稳定性.     

高频逆变式弧焊机电源的研制初探

弧焊机电源是电弧焊机的重要组成部分,它是对焊接电弧供给电能的装置,它应满足电弧焊所要求的电气特性。弧焊机电源电气性能的优劣,在很大程度上决定了电弧焊机焊接过程的稳定性。没有先进的弧焊机电源,要实现先进的焊接工艺和焊接过程自动化也是难以办到的。弧焊机电源具有较大的短路电流和较高的空载电压等特点。高频逆变式弧焊机电源是近年来世界焊接电源界研究的新技术。它具有控制性能优异、动特性好、焊接工艺性优良、重量轻、效率高、功率因数高、引弧性能好、焊接速度快等优点,是当前国际上焊接电源设备发展的主流和方向。这种电源除了能够用于弧焊机外,还可以用作喷涂等需要大电流,低电压的设备的电源。     

单缆式焊丝GMAW电弧物理行为的数值模拟

采用Gambit软件建立了单缆式焊丝熔化极气体保护焊(GMAW)电弧三维数值模型,研究了焊接电流对单缆式焊丝GMAW电弧的电流密度、电磁场、温度场、速度场和压力场分布特征的影响。结果表明:缆式焊丝GMAW电弧的电流密度、电磁场、温度场、速度场和电弧压力最大值均随着焊接电流的增大而显著增加。缆式焊丝GMAW电弧电流密度和温度最大值位于焊丝阳极端部。电弧等离子流速最大值位于弧柱区。随着焊接电流的增加,电弧最大压力位置由速度入口向阳极区转变。在相同的焊接工艺参数条件下,三维数值模拟所得电弧形态与高速摄像系统拍摄的电弧形态吻合,验证了模拟所选三维模型的准确性。     

高频电磁波传感式电弧焊全自动防护面罩的研发

为防止电焊弧光对人眼的伤害，提高电焊工操作的安全性，提出用电感应方式检测电弧焊工作电流并利用高频电磁波传感技术实现对电焊弧光的自动防护的新方法。所研制出的电弧焊全自动防护面罩成本低，结构简单，性能稳定可靠，其响应时间小于10ms，其整体重量小于0.6kg，传感距离超过20m。在传感距离范围内可实现多点焊接操作而相互干扰。     

基于高低压电源切换的双环恒流控制电磁流量计励磁控制系统

为了提高电磁流量计高频方波励磁性能,基于励磁恒流控制仿真分析,采用外环高低压电源切换和内环电流微调的双环励磁恒流控制方式,以保证电磁流量计高频方波励磁时一次仪表输出信号零点稳定、电源利用效率高。设计方波励磁控制系统,以实现高频方波精确励磁。仿真结果表明,高压源电压越高越有利于拓宽励磁频率范围。实验结果表明,系统在高频方波励磁时,励磁电流响应速度快且电磁流量计传感器输出信号零点稳定。     

一种高稳定度纯净正弦波功率信号源的研制

针对传统信号源输出电压较低,负载能力弱且无法闭环稳压、稳频的缺点,研制了一种输出电压有效值为40V,负载电流为1A的高稳定度纯净正弦波功率信号源,以适应陀螺测试等系统的需求．本文对该功率信号源系统结构和电路原理进行了详细的分析．样机实验结果表明：该信号源具有功率大、稳定度高,准确度高和低谐波含量的优点,具有良好的应用前景．     

塑壳断路器中灭弧室的优化设计与试验研究

为了提高塑壳断路器的分断能力,对其灭弧室进行优化设计。基于电弧开断过程的理论研究,提出提高电弧电压的3种方式:1)优化灭弧栅片的结构,采用第1片引导、最后一片阻隔加上中间正常排布的方式,实现良好的切割电弧的效果;2)增加电机槽的磁吹结构,通过提高电弧受到的磁吹磁场强度来加快电弧的运动速度,借助ANSYS仿真方法可得新增加的磁吹结构使电弧增加了97N的磁吹力;3)增加气吹结构,利用降低弧柱的温度来提高弧柱压降,采用介质恢复强度快的产气材料PA66作为气吹片。组合使用得到优化后的设计方案并制作样机,在室温(25℃)及415V交流电压条件下进行短路分断实验,其分断能力由50kA提升至70kA,同时燃弧时间由5ms缩短至3ms。实验后拆解样机发现有部分试品出现灭弧室外壳破裂的问题,则将栅片基座开裂位置的壁厚增加2mm,借助ANSYS的静力分析模块,对变更前后的外壳进行等效应力比较,分析结果显示新结构的强度提升了40.2%,再次装配样机后,最终顺利通过工程试验。研究成果对后续塑壳断路器的新品开发及改进设计具有一定的参考作用。     

TIG电弧热丝对铜、钢堆焊的工艺研究

针对某产品铜带焊接工艺,提出了一种电弧热丝方式应用于TIG堆焊铜、钢工艺的研究。电弧热丝可有效预热低电阻率的焊接材料,如铜;传统的电阻热丝只能加热具有高电阻率的焊接材料,如钢。采用电弧热丝系统,热丝电流小于50A时即可有效预热焊丝,与电阻热丝电流400A相当。在相同焊接电流下,能够大大提高焊接熔敷速度;在相同送丝速度下,降低焊接电流,大大降低焊接设备功率。同时证明2种热丝加热方式对钢基体、铜合金的影响相同,特别是对堆焊层铜合金中泛铁量的影响相当。     

A method of measuring electrode temperature for arc powercalculation

A technique for the construction of the thermocouple probe used for the measurement of electrode temperature under the influence of arcing in a low-power circuit breaker at break is reported. The problem of appreciable heat diffusion to the surroundings during the short time of arcing at break, typically 3-6 ms (depending on the speed of break), is dealt with by placing the thermocouple probe as near as possible to the electrode's surface, and in the center where, in most cases, the arc occurs. Under dc test conditions the amounts of the are power received by each electrode for various parameters such as current and electrode spacing are calculated     

平衡式E/F类功率放大器的设计与实现

为了解决功率放大器设计过程中存在的效率低和输入/输出端回波损耗较大的问题,设计了一种工作频率为1.5 GHz的平衡式功率放大器。通过采用3 dB定向耦合器对射频信号进行分配及合成,大大降低了输入/输出端的驻波系数,并将逆F类功率放大器的谐波控制网络引入E类功率放大器的匹配电路中。使用ADS对晶体管进行负载牵引和源牵引,得到晶体管的输入/输出阻抗,同时结合晶体管的寄生参数,在输出匹配电路中对二次谐波、三次谐波分别进行开路和短路处理,且为了进一步提高功率放大器的工作性能,在输入电路结构中抑制了二次谐波。选用GaN HEMT器件CGH40010F晶体管,利用ADS软件进行电路仿真,并采用Rogers4350b高频板材制作该功率放大器的实际测试电路板。仿真优化和实测表明：在输入功率为28 dBm时,该功率放大器的输出功率为41.54 dBm,漏极效率为76.99%,功率附加效率（power additional efficiency,PAE）达到73.59%,输入/输出端驻波系数小于2,同时具有160 MHz的高效率带宽,且最大输出功率较单管功率放大器提高了3 dB。实测结果与仿真数据有一定的误差,但仍有较好的一致性,满足设计指标要求,验证了设计方法的可行性。该设计方法具有效率高和回波损耗低的优势,提高了功率放大器的设计效率,使它在当今高效绿色节能的射频微波通信系统中具有广阔的应用前景。     

5kW弧电源的设计与仿真

介绍了开关电源的优点和大功率弧电源的结构,给出了以SG3525为控制核心的弧电源的设计方法。该电源主电路采用全桥式逆变电路,应用平均电流模式控制的PWM调制技术实现电流的稳定输出。并应用OrCAD15.7仿真工具对主电路和控制电路建模并进行闭环仿真,得到了与设计要求相符合的实验结果,通过对仿真结果的分析验证了设计方案的可行性。试验表明,该弧电源具有良好的性能。     

A magnetoresistive transducer with superconducting control lines

The design and the static and dynamic response of a thin film magnetoresistive transducer with superconducting control lines cooled at 4.2 K are described. The transducer facilitates a linear transfer of electrical signals by transformation of the impedance level and by perfect electrical insulation between the input and output circuit. In addition, voltage and power amplifications at low frequencies are achieved.The device can be used to sense supercurrents or currents generated by sources of very low impedance, such as superconducting quantum interferometers (SQUID's).