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焊接电源的发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-04
焊接电源控制线路的数字化与主电路控制系统中使用变频器方面取得了同步发展。其优点是通过数字化获得了高速、高精度处理和高瞬变反响,同时,也缩小了焊接电源的尺寸和重量。 本文讲述的是,使用最新研发的控制引擎的焊接电源的前沿技术。它能增强焊接电源的功率和性能。
        焊接电源控制线路的数字化与主电路控制系统中使用变频器方面取得了同步发展。其优点是通过数字化获得了高速、高精度处理和高瞬变反响,同时,也缩小了焊接电源的尺寸和重量。

        本文讲述的是,使用最新研发的控制引擎的焊接电源的前沿技术。它能增强焊接电源的功率和性能。
 
1    焊接控制电源的发展
        如果该线路设计是以普通使用为中心的大规模集成线路,该设计包括的功能不要求焊接控制,则在生产成本上勿需最佳化。这就是通过专用于焊接控制的超大集成线路(ULSI)获得更高处理频率和更大处理能力的焊接控制引擎Welbee(焊接的最佳电子引擎)得以研发的原因。最新研发的Welbee电源芯片具有一个按照几个毫微秒和64倍增长的处理能力的周期时间。
 
2    根据焊接条件的电流波形
        采用这种新芯片实现的非脉冲焊接的主要特性可分类为四个特性,它们被结合进该系统,所以可根据用途选择合适的特性。每个特性都能通过高速数字计算结合数字恒电压和恒定电流控制而获得。该外特性和调节电流最佳化的电子反馈作用的结果是非常稳定的金属过渡和电弧长度的适时调节。


 
        图1所示为适用于普通用途的典型电流波形。这种特性的特点如下:由于该短路电流是连续控制的,而这种连续是受限的,因此,在电弧重燃时,飞溅减少的作用是最大化的,且无需另外的飞溅减少线路。当电弧重燃后,电流迅速减小到根据该调节电流而定的一个恒定电流,它还控制着飞溅。其后,电弧持续期间的峰值电流控制熔池的振动和焊丝熔化速度的补偿。它还减少短路期间的连续现象。最后,电弧电流适时地变化去稳定金属的过渡。

        图1B所示为适用于高速焊接的电流波形,该特性的特点与普通用途的电流波形比较如下:
        短路连续期间,该峰值电流被限制在一个必需和足够的值上。高速焊期间,要求对电弧长度有一个高瞬时反响,以期能稳定金属过渡。另一方面,太大的电流变化会造成熔池振动的不稳定,其结果会产生一个不规则的焊道。因此,要选择外特性值和电子反应值去获得一个克服电压误差的快速响应和小的增量。

        图1C所示为适合厚板焊接时的电流波形。该外特性表示它非常接近恒定电流,但是,应考虑在焊枪转动期间摆动运动,它将造成电弧长度变化和飞溅。

        图1D所示为适用于30米长电缆的简单的电流波形。这种焊接电源次级边不带电抗器和电阻器的特殊电流波形控制,经常会由于对短路和电弧连续的错误检测而造成电弧的不稳定。但这种特性可根据次级边的负载,包括使用长电缆碰见的电压降来控制焊接电流。因此,它显示出所有条件下最强的抗干扰特性。
 
3    普通的和这种新型的比较
        图2所示为普通的高速焊与采用100%CO2的非脉冲气体金属极电弧焊(GMAW焊)高速焊之间的比较。该搭接接头由下板2.3mm厚和上板1.6mm 厚的板材构成。该接头采用1.2mm直径的实芯焊丝,焊接电流330A,焊接电压为23V和230cm/min 的焊接速度焊接。在图2A所示的普通工艺情况下,焊道宽度经常受到周期性的干扰,而且焊缝边缘旁边存在一些大的飞溅。相反,图2B所示的最新发展的工艺,由于该新型特性的作用而具有一个无飞溅的正常焊道外形。

        图3所示为12mm厚板水平填充GMAW焊缝的比较。该焊缝是采用Ф1.4mm实芯焊丝,焊接电流为350A,焊接电压为30V,焊接速度为30cm/min, 摆动频率为2.5Hz,摆幅为1.5mm而完成的。在采用Ar和CO2混合气体保护(见图3A)的普通GMAW 焊工艺中,熔池形状趋近于“指头状”。相反,图3B为采用CO2保护气体的新型GMAW焊工艺,其熔池形状得到了很大的好转,其临近焊道边缘的飞溅也比普通的GMAW焊大大减少到几乎没有。
 



 
4    低热输入和低飞溅的GMAW焊
        这种被称之为受控桥过渡(CBT)低热输入和低飞溅GMAW焊工艺已经研发。这种CBT焊接工艺在短路过渡电流范围内限制了飞溅的产生。为了满足使用者的要求,如提高效率,这种通过滴状过渡电流范围内获得稳定金属过渡达到更快焊接速度的CBT焊是很重要的。因此,这种芯片研发的焦点是可提供高速和高精度的处理。

        在这项成果中,CBT发展成为一个受控桥过渡-经扩展型(CBT-EX)。图4所示该CBT-EX 的原理图。这种电弧重燃期间飞溅减少的方法类似于标准的CBT工艺。但该新型芯片的精密处理改善了电弧周期球状过渡形状的预测速度,它促进了电弧持续期间电弧长度的控制,以至在焊丝端头产生一个一致尺寸的熔滴。

        图4A所示为GMAW CBT-EX工艺的典型电流波形。在电弧重燃前,迅速减小短路电流,快速地降低焊丝熔化速度。同时,在球状过渡的电流范围内,焊丝送给速度稍高于短路过渡。为了增强焊丝熔化速度和在焊丝端头形成一个足够尺寸的熔滴,一个高电流脉冲将在燃弧周期开始时得到提供。其后,电弧电流随着金属过渡,熔池适时变化去调节电弧长度。由于这种电流波形能比CBT工艺降低电压,故能完成高速、低热输入焊接。该CBT-EX工艺适用于管道根部高速焊接。

        图4B所示为采用100%CO2的GMAW焊CBT-EX 工艺的典型电流波形。众所周知,在球状过渡中飞溅形成的原因之一是气体在熔池中爆炸和由于大电流有关的熔滴过热。鉴于该CBT-EX 工艺聚焦在板材金属高速焊,故要求一个产生短路的短路电弧长度。因此,可以期望一个熔池的冷却作用。焊接飞溅的另一个原因则是,由于CO2分解造成的排斥力。为了弱化这一抵制在焊丝端头的熔化金属滴的力量,现已研发了一种带有三角形且在燃弧期间开始时叠加在基准电流波形上的一种新型电流波形。所以,就可以获得一个稳定的熔滴过渡,电弧连续可调,且可实现在球状过渡的电流范围内的电弧的连续和有规律的短路。
 
5    飞溅的控制
        在CBT-EX工艺和采用Ф1.2mm实芯焊丝,焊接速度为100cm/min,电流为250A和100%CO2 保护气体的普通非脉冲GMAW焊进行比较。飞溅减少了五倍。在采用Ar/CO2混合气体保护的CBT-EX GMAW焊中,飞溅产生的水平仅为0.25 克/分或更低。

        图5A所示为采用Ar/CO2混合气体,在1.6mm 厚板材搭接接头上的填充焊缝。焊接中采用Ф1.2mm实芯焊丝,焊接电流为200A,焊接电压为18V,而焊接速度为200cm/min。熔深约为20%多,是在水平焊道上完成的且无咬边。

        图5B所示为采用100%CO2保护气体,在2.3mm 厚下板和1.6mm厚上板搭接接头上得到的填充焊缝。它是在采用Ф1.2mm实芯焊丝,焊接电流为230A,焊接电压为18.5V,焊接速度为100cm/min 的情况下完成的。尽管由于不同厚度的板材和1.0mm的根部间隙,焊接有一定的困难,可桥接根部的熔敷金属是充分的,在充分的熔敷下产生了一条水平焊道。
 
6    结束语
        这种以数字化逆变控制技术为基础的最新焊接电源控制技术与其一些典型的应用一起,在本文中得以描述。由于这种在阴极点效应的高速及输出控制的获得,这种电子装置的性能达到这个点,在这里采用完整的逻辑系统的输出控制技术对焊接耗材和使用来讲是最佳的。它具有板材金属高速焊到厚板高熔敷焊的性能。
 
 
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