第四章电弧自动控制系统.docx

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第四章电弧自动控制系统

第四章电弧焊自动控制基础

应用自动控制技术，保证自动化电弧焊过程参数稳定不变或恰当调变，是获得稳定的电弧、焊丝熔化、熔滴过渡及焊缝成形的根本途径。

本章首先讨论熔化极自动电弧焊能量参数的稳定自动调节系统，然后讨论焊速和送丝速度拖动电机的稳速驱动系统，最后给出焊缝起点和终点焊接参数的合理控制方式。

所有这些将是构成各种自动电弧焊机的基本控制环节。

在第十一章将继续讨论一些特定场合下应用的电弧焊自动控制技术。

第一节　　熔化极自动电弧焊的自动调节系统

一、自动调节的必要性及基本要求

为了获得稳定的焊接过程，依据焊件材质、板厚和接头形式、焊接位置等具体条件，合理选择Ia、Ua、va焊接电弧能量参数是重要的，但更关键的却是如何使选定的参数在焊接过的控程中稳定不变。

例如，在普通结构钢埋弧自动焊生产中，Ia、Ua制精度要求为±25～50A、±2V；而在全位置气保护自动电弧焊中，Ia、Ua的控制精度已可达到±0.1～1.0A、±0.1V。

电弧过程的稳定状态，即Ia、Ua的稳定值是由电源外特性曲线和电弧静特性曲线的交点给定的。

在实际焊接过程中，电弧静特性和电源外特性都可能受外界干扰而发生波动，从而使Ia、Ua发生波动。

1.使电弧静特性发生波动的外界干扰

1）装配定位焊道、坡口加工或装配不均匀、环缝焊接时筒体的圆度、焊接小车导轨不平整、支承焊头的台架振动等都会导致电弧弧长变化。

2）焊丝盘卡死、焊丝盘绕中的拆弯或扭曲造成送丝阻力突变、送丝电机转速不稳或送滚轮打滑等导致送丝速度不匀。

3）焊剂、保护气体、母材和电极材料成分不均或污染物等所引起弧柱气体成分及平均电离电位、弧柱电场强度的变化。

2.使电源外特性发生波动的外界干扰

1）电阻焊机、电炉等大容量用电设备的起、停，会造成网压的瞬时波动，用电高峰时间则会造成网压的稳态波动。

2）弧焊电源内部元件，如半导体功率器件、电阻器件受热后使其输出发生波动。

以上各种干扰中，弧长的干扰最为突出。

这是因为在一般电弧焊中，弧长数值仅为几到十几毫米，弧柱电场强度依电极材料和保护条件不同为10～40V/cm。

的因此弧长只要有1mm的变化，电弧电压的波动就可能超过允许值。

这样如何避免弧长干扰就成为自动电弧焊，特别是熔化极自动电弧焊发展和应用中的首要问题。

在手弧焊生产中，有经验的焊工都知道要用眼睛观测电弧，有的甚至能从电弧的声音判别电弧。

遇到弧长波动时，可通过大脑分析比较后指挥手臂调整运条动作来加以修正。

因此手弧焊的质量将取决于焊工技艺的优劣（图4-1a）。

以机械代替手工运条的自动化电弧焊方法，必须有相应的自动调节来取代上述人工调节。

图4-1b所示为自动调节系统的对应框图，它是由检测、比较放大等讯号处理及电动机执行机构三个部件组成的调节器来实现闭环自动调节控制。

检测部件用于检测输入被调对象（电弧）的状态物理量-----例如反映弧长的电弧电压；比较放大讯号处理部件，把检测量跟预置的给定值进行比较后确定执行机构对电弧状态进行调节的输出控制量----例如焊丝的送给速度，以最终消除外界干扰。

这类闭环自动调节控制是当今现代工业生产过程乃至许多日用家电设备中常见的控制手段（如图4-1c）。

闭环自动调节又称反馈控制，这里反馈是指被调对象（电弧）的状态物理量要反馈到调节器中去，调节器根据这个反馈输入来随时修正它对电弧的调节量大小，因此反馈是闭环系统能消除外界干扰的基础。

没有反馈通路的控制系统称开环系统（图4-1d）。

开环系统通常是不具备自动调节能力的，但有时受控对象的输出和输入量之间存在某些固有的内在联系，会构成固有的内反馈作用，这样的开环系统也会产生自动调节作用。

下面要讨论的熔化极电弧自身调节，即属此例。

电弧电压反馈调节器和焊接电流反馈调节器是目前生产中采用的两种熔化极电弧自动焊调节系统。

前者从40年代初即开始应用，后者的历史较短。

由于调节对象和调节器组成部件中都可能包含有机械惯性、电容、电感、热容等惯性，闭环系统有些部件的输出不能随其输入而及时地发生变化，而总是有些滞后。

例如，调节对象的惯性，使调节动作不能及时纠正被调量的偏差；调节器的惯性，使偏差讯号不能及时转化为控制调节输出量的变化等。

于是当某一调节输出量本来可以使被调量达到稳定值时，调节对象的惯性使偏差讯号仍然存在着；当被调量已经达到稳定值时，执行机构本来应该停止工作了，调节器的惯性又使调节作用还将在原方向继续进行，结果使被调量超过稳定值，从而产生相反的偏差，于是执行机构将作反方向调节。

合理设计调节器的结构、参数及应用条件，系统最终将能达到稳定状态，否则闭环调节系统可能是不稳定的。

图4-2b所示为突变（阶跃）干扰条件下调节系统可能呈现的输出量变化（调节）结果。

为了保证闭环调节系统的使用性能，调节系统的设计及应用条件应保证：

（1）稳定性，这是指系统受干扰或给定控制信号阶跃突变离开稳定平衡状态，而在干扰停止后能恢复到新稳定状态的能力，图4-2a为为稳定的调节过程，而c、d、e三种不稳定的调节过程；

（2）动态品质好，在稳定的前提下，动态调节过程越短，即图4-3b中所示上升时间tr和过渡过程时间ts，超调量

越小，衰减度

越大的系统是理想的系统；（3）静态误态小，新稳定工作点被调量稳定值与初始稳定值差越小，则静态误差小，系统调节精度高。

二、熔化极等速送丝电弧自身调节系统

实验和理论分析均证明，熔化极等速送丝电弧具有抵御弧长干扰的能力，在合理的应用下只要确保焊丝的等速送给，这一系统可以保证足够的Ia、Ua参数稳定性。

（一）等速送丝自身调节系统静特性

若焊丝以恒定送丝速度vf送入电弧，则弧长稳定时必有：

vf=vm（4-1）

式中vm为焊丝在电弧热作用下的熔化速度。

据第二章所述，vm应正比于焊接电流Ia，而反比于电弧电压Ua，即应有：

vm=kfIa-kuUa（4-2）

式中kf------熔化速度随焊接电流而变化的系数，其值取决于焊丝电阻率、直径、伸出长度及电流数值（cm/（s·A））；

ku------熔化速度随电弧电压而变化的系数，其值取决于弧柱电位梯度、弧长数值（cm/（s·V））。

由式（4-1）、（4-2）可解得：

（4-3）

式（4-3）表示在送丝速度给定条件下，弧长稳定时电流与电弧电压之间的关系，即等速送丝熔化极电弧焊的稳定条件，又称等熔化曲线或自身调节系统静特性方程。

在这条特性曲线上每一点，即每一种Ia和Ua组合条件下焊丝的熔化速度都将等于给定的送丝速度vf。

电弧工作在此线上的任何一点，均满足vm=vf；当电弧工作偏离这一曲线时，则vm≠vf于是弧长将会有波动。

由于电弧是由弧焊电源供电的，这些Ia、Ua应同时在弧焊电源外特性曲线上。

据此，可以用实验方法测定等熔化曲线。

测定方法是在给定的保护条件、焊丝直径、伸出长度条件下，选定一种送丝速度和几种不同的电源外特性曲线进行焊接，测出每一次焊接过程的稳态Ia、Ua，即可在UaIa坐标系中作出一条等熔化曲线，如图4-4a所示。

各种不同条件下等熔化曲线形状将呈现不同的特征见图2-4，实测证明：

1）在长弧条件下，等熔化曲线几乎垂直于水平坐标轴，即Ia轴，这说明弧长足够大时电弧电压对熔化速度影响可以略去不计，这时ku数值很小，因此式（4-3）可近似地写成：

（4-4）

2）在短弧条件下，电弧等熔化曲线斜率减小。

这说明短弧焊时，焊丝熔化速度随弧长缩短而有明显增大，亦即ku数值随电弧电压降低而明显增大。

通常把这一影响称为电弧固有的自调节作用，以区别于弧长干扰所引起焊接电流波动------熔化速度变动所造成自身调节作用，后者实际上是跟电弧一电源系统中的弧焊电源有关的。

由式（4-3）还可以直接推知：

3）其它条件不变时，送丝速度增加（减小），等熔化曲线平行向右（左）移动。

4）其它条件不变时，焊丝伸出长度增加（减小）时，kf增加（减小），等熔化曲线向左（右）移动。

电弧自身调节系统的上述特性决定了等速送丝自动电弧焊的一系列工艺特点。

（二）等速送丝自身调节的精度

1.弧长波动时的自身调节精度　　由图4-4b可见，等速送丝的自动电弧焊过程中，当弧长突然缩短时，电弧点工作点将从O0点移到O1点，由于

和

、

∴

于是弧长将因熔化速度增加而得以恢复。

如果弧长缩短是在焊枪与焊件表面距离不变前提下发生的，则电弧的稳定工作点最终将回到O0点，调节过程完成后系统将不带静态误差。

送丝速度的瞬时加快或减慢一下，即属此类干扰。

当弧长波动是由焊枪相对高度变化引起时，上述自身调节将在焊丝伸出长度有变化的条件下进行，调节过程结束后的稳定工作点将由焊丝伸出长度变化后的等熔化曲线和电源外特性曲线新交点决定。

调节过程完成后系统将带有静态误差。

误差大小除与焊丝伸出长度变化量、直径及电阻率有关外，还跟电源外特性形状有关。

由图4-5a可见，当电弧静特性为平特性时，陡降特性电源将比缓降特性引起较大的电弧电压静态误差；当电弧静特性为上升特性时（图4-5b），对平特性电源表面看来似乎不会引起电弧电压误差，实际上由于通常检测电弧电压为包含焊丝伸出长度上电阻压降的总和，所以实际电弧电压误差则以上升特性电源为最小。

由此可见，为了减小电弧电压及弧长的静态误差，应采用缓降（对平特性电弧）或微升（对上升特性电弧）特性电源为宜。

但是电流静态误差总是相差不大的。

2.网路电压波动时的自身调节误差　　由图4-6可见，网压波动将使等速送丝电弧焊的工作点沿等熔化曲线从O0移到O1。

在长弧焊条件下，这时系统将产生明显的电弧电压静态误差。

显然，陡降外特性电源比缓降外特性电源引起更大的电弧电压静态误差，即

>

；而在短弧焊条件下，因等熔化曲线不同系统还将产生明显的电流误差，这时采用陡降外特性电源可减小这一误差。

（三）等速送丝自身调节的灵敏度

如上所述，在等速送丝的熔化极电弧焊过程中，弧长干扰能藉助焊丝熔化速度变化所产生的自身调节作用得以补偿。

这一补偿需要一个时间，若这一调节过程所需时间很长，则焊接过程稳定性仍将受到影响。

只有这一调节过程时间足够短，即自身调节作用相当灵敏时，焊接过程稳定性才会是满意的。

显而易见，等速送丝自身调节作用灵敏度将取决于弧长波动时引起的焊丝熔化速度变化量大小，由式（4-3）、式（4-4）可知；

由此可见自身调节灵敏度将取决于：

1.焊丝直径和电流密度　　当焊丝很细或电流密度足够大时，值足够大，电弧自身调节作用就会很灵敏。

对于一定直径的焊丝，只要电流足够大，就会有足够的自身调节灵敏度。

在一定工艺条件下，每一种直径的焊丝都有一个能依靠自身调节作用保证焊接电弧过程稳定的电流最小值，只有在这一电流以上应用时才是合理的。

2.电源外特性的形状如图4-7所示，当电弧静特性呈平特性时，采用缓降外特性电源比陡降外特性能获得更大的

Ia和自身调节灵敏度。

当电弧静特性上升时，采用上升特性电源（注意；其上升斜率应小于电弧静特性）比用平特性电源能获得更大的

Ia和自身调节灵敏度。

因此，一般等速送丝（长弧焊接）均采用缓降或平特性，甚至上升特性电源。

3.弧柱的电场强度　　电场强度越大，弧长变化时电弧电压和电流变化量就越大，自身调节灵敏度就越高。

但是电场强度大，意味着电弧稳定性低，要求采用空载电压较高的电源。

4.电弧长度　　弧长足够短时，电弧固有的自调节（ka）明显增大，即使采用恒流电源，电弧自身调节作用仍然十分灵敏。

它的缺点是，对于所需电流值的送丝速度可调范围很窄。

送丝过快会造成短路；送丝过慢则会熄弧或回烧导电嘴，这都是因为其等熔化曲线与电源外特性交点的电流电压数值配合不当或无交点所致。

但是，如果能保证送丝速度跟电源外特性恰当配合，则其电流和弧长均十分稳定，因此熔深、熔宽都很均匀。

（四）等速送丝熔化极电弧焊的电流、电压调节方法

综上所述，在一般长弧焊条件下，熔化极电弧的自身调节曲线几乎垂直于电流坐标轴，电源应采用缓降、平或微升特性。

因此，在这种焊接方法中，焊接电流调节将通过改变送丝速度来实现，而电弧电压的调节是通过改变电源外特性。

而在短弧焊条件下，熔化极电弧的自身调节曲线不再垂直于电流轴，电源则采用陡降外特性，这时焊接电流、电弧电压的调节，将分别藕调节电源外特性、送丝速度来实现。

在实际应用中，若要把图4-8a中A点工作的电弧调节为B点，应同时提高送丝速度和电源外特性，即要同时调节两个控制旋钮才能实现。

这不仅很不方便，还往往难以获得最佳工作点。

如果能在增大送丝速度时同时按适当比例提高电源电压（对于长弧焊），或者在增大焊接电流的同时按适当比例提高送丝速度（对于短弧焊），则只要用单个旋钮就能同时调定Ia、Ua，这种单旋钮控制等速送丝自动焊对短弧焊是特别合适的。