专利名称：铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料加工技术、焊接。具体讲，本发明涉及铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法。
背景技术：
铝MIG焊的熔滴过渡方式有大滴过渡、射滴过渡、短路过渡和亚射滴过渡。大滴过渡是在电流较小时的熔滴过渡方式；当电流超过射滴过渡临界电流后，熔滴过渡方式变为射滴过渡。此时，熔滴直径接近焊丝直径，脱离焊丝沿轴向过渡，加速度大于重力加速度。
铝及铝合金的MIG焊(即熔化极气体保护焊)进行直流焊接时，一般采用射滴过渡方式，适于中厚板或大电流容量的焊接要求。当需要减小焊接电流容量时，目前往往采用脉冲电流焊接的方法，而不采用大滴过渡和短路过渡方式，因这样的熔滴过渡方式焊缝质量不好。
铝及铝合金的脉冲电流MIG焊接方法有许多类型，如电源具有垂直加外拖外特性的控制薄板铝合金脉冲MIG焊，双脉冲MIG焊，交流脉冲MIG焊，电弧长度的自适应闭环控制法，针对送丝速度波动的电弧长度自动平衡的Synergic控制，等等。但尚未见到专门将电弧及熔滴过渡控制在亚射流过渡区的文献报道。
亚射滴过渡习惯上称为亚射流过渡，是介于射滴过渡和短路过渡之间的一种熔滴过渡方式，其弧长较短，一般在2~8mm之间变化。在电弧热的作用下，熔滴形成长大，在形成缩颈即将以射滴方式脱离焊丝之际与熔池短路，在电磁收缩力作用下细颈破断，重新燃弧完成过渡。亚射流过渡的熔滴短路时间极短，电流上升不大，缩颈就断裂，存在区域很窄，如图1所示。产生亚射流过渡的电流、电压值特点是电流一般要超过射滴过渡临界电流，电压又不能太高。
利用亚射流电弧焊接铝及铝合金就存在一些不同于其他焊接方法的特点。(1)优点(a)电弧为碟形，阴极雾化区大，焊缝起皱及表面黑粉现象比射流过渡少；(b)可以采用恒流外特性电源焊接；(c)射流电弧的熔深形状为“指形”，而亚射流电弧为“碗形”，避免了“指形”熔深引起的熔透不足等缺陷。(2)缺点亚射流电弧弧长范围不宽(φ1.6铝焊丝2~8mm)，对于一定的送丝速度，最佳焊接电流范围相当窄，不易控制。
亚射流过渡电弧弧长较短，向四周扩展为碟形。在熔化特性上也有其不同的特点，图2是φ1.6铝焊丝的熔化特性曲线[数据来源于E.Halmoy的研究论文Electrode melting in arcwelding，Physical aspects of arc welding，81~93，IIW Group212，1993.9]，又可称为等熔化曲线。每一条曲线代表一个送丝速度，特性曲线上的数字表示焊丝末端与母材表面的距离(即电弧的可见长度)。从图中可以看出，焊丝熔化特性曲线在射滴过渡区域几乎是垂线，焊丝熔化系数基本不受弧长的影响。但进入亚射流过渡区后特性曲线向左弯曲，熔化系数随弧长增加而减小，随弧长减小而增大。而且这种变化在大电流下更明显。弧长若进一步减小(约2mm以下)，特性曲线又向右弯曲，焊丝与工件频繁短路，进入短路过渡区。铝合金焊丝的熔化也呈现类似的特点。图2的特征曲线虽然是φ1.6铝焊丝的，但其他范围在φ0.8~2.4直径的铝及铝合金焊丝也都具有相似的特征曲线。
综上所述，目前，铝及铝合金的焊接存在一些较大的技术问题，如产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷，以及焊缝成形、晶粒粗大等问题。
亚射流过渡的区间很窄，弧长短，不易控制。若控制弧长短，则弧长稍有波动，就很容易进入短路过渡区；若控制弧长大一些，则很容易进入射滴过渡区。况且，对弧长的控制主要是通过检测弧压来进行的，而亚射流过渡区弧长变化引起的弧压变化较小，变化区间很窄，并且电流越小，这种弧压变化的区间越窄。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，控制焊接弧长，解决铝及铝合金的焊接存在的一些较大的技术问题，如产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷，以及焊缝成形、晶粒粗大等问题。
本发明采用的技术方案是铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，包括下列步骤确定a、b、c、d和e五点选择ab线的斜率大于或等于通过a点的电弧静特性的斜率，ed线的斜率应大于或等于通过d点的电弧静特性的斜率，a点电压14～19伏特，d点电压20～30伏特，c点电压小于d点电压5伏特，ae线和cd线为两条电源恒流特性曲线，bc线的斜率应明显大于等熔化曲线的斜率；使电弧在ae线上燃烧，电弧电压逐渐减小，当电弧电压小于或等于a点电压时，使电弧电流跳至b点沿bc线增加，到cd线电弧电流恒定，使电弧在cd线上稳定燃烧，电压逐渐增加，当电弧电压大于或等于cd线上某一点的电压值时，电弧电流跳至ae线燃烧，进入下一个循环。
所述ae线恒流值为基值电流，小于50安培。
所述ae线恒流值为基值电流，选择为30安培。
所述cd线恒流值为脉冲电流，大于180安培。
所述cd线恒流值为脉冲电流，选择为235安培。
所述电弧电流频繁地在a、d点之间跳转时，脉冲电流的频率自动增大。
所述a点和d点电压值的差决定允许的电弧弧长波动范围，当允许的弧长波动范围较小时，电弧电流会频繁地在a、d点之间跳转，使脉冲电流的频率随电弧电流的跳转自动增大。
所述cd线恒流为脉冲电流，随着所述电弧电压的变化，自动调整增大(或减小)工作于脉冲电流的时间。
采用的焊丝直径在Φ0.8和Φ2.4之间。
本发明具备以下效果由于本发明a、b、c、d和e五点及连线的选择，使焊接电压、电流限定于亚射流过渡区内，因而本发明将焊接弧长严格控制在亚射流过渡的区间内，解决了铝及铝合金的焊接存在的一些较大技术问题，如产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷，以及焊缝成形、晶粒粗大等问题。
图1铝MIG焊熔滴过渡形式分布图2铝MIG焊熔化特性图3亚射流电弧的控制图4 Al脉冲MIG焊自适应控制实验波形1图5 Al脉冲MIG焊自适应控制实验波形2图6脉冲MIG焊自适应控制过程的高速摄像3(1000幅/秒，φ1.6)具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
亚射流过渡的区间很窄，弧长短，不易控制。若控制弧长短，则弧长稍有波动，就很容易进入短路过渡区；若控制弧长大一些，则很容易进入射滴过渡区。况且，对弧长的控制主要是通过检测弧压来进行的，而亚射流过渡区弧长变化引起的弧压变化较小，变化区间很窄，并且电流越小，这种弧压变化的区间越窄。
为克服上述缺点，采用如图3所示的脉冲电流自适应控制模式。图中虚线代表图2中铝MIG焊的等熔化曲线，相应的ab线和ed线之间的区域在亚射流过渡区内；mn线代表铝MIG焊电弧静特性，处于U形曲线的上升段；ae线和cd线代表两条电源恒流特性曲线，ae线电流很小，这样的电流很难形成熔滴过渡，cd线电流较大，位于射流过渡区，足以产生射滴过渡；bc线斜率应大于亚射流过渡区等熔化曲线的斜率。
图3所示的控制过程如下首先假设电弧在ae线上燃烧，电压逐渐减小，当电弧电压小于或等于a点电压时，电流跳至b点沿bc线增加，到cd线电弧电流稳定燃烧；电弧在cd线上稳定燃烧，电压逐渐增加，当电弧电压大于或等于cd线上某一点的电压值时，电流跳至ae线燃烧，进入下一个循环。图中a、d两点的位置选择是关键，a点电压值是电压下限，d点电压值是电压上限。当电弧电压低于a点电压时，熔滴很容易与熔池短路，进入短路过渡区；当电弧电压高于d点电压时，很容易进入射流过渡区。
选择ab线的斜率应大于或等于通过a点的电弧静特性的斜率，ed线的斜率应大于或等于通过d点的电弧静特性的斜率，这样可以保证电弧的电流、电压变化处在亚射流过渡区内。电弧电流越小，亚射流过渡区越窄，因此a点电压控制及控制点的选取极为重要，此电压值小则易产生短路过渡，大则易产生大滴过渡，影响焊接效果根据实验结果，此电压值大约在14～19v的范围内。电弧电流较大时，亚射流过渡区较宽，因此d点电压选择范围较宽，其值约在20～30v范围内，甚至此点选择在稍高于亚射流过渡区的射流过渡区，仍可使脉冲电流焊接过程的大部分时间处于亚射流过渡区。
上述控制过程是一种自适应控制过程，它根据电弧电压值来确定电弧电流的大小，自动将电弧的电流、电压控制在亚射流过渡区内。
下面结合关键问题进一步说明本发明。
(1)a点和d点电压值的差别实际上决定了允许的弧长波动范围，由于铝MIG焊电弧工作在电弧静特性的上升段，只要a、d点电压差值处在一定范围内，允许的弧长波动范围并不大，意味着该控制系统具有相当的弧长稳定自适应控制能力。当允许的弧长波动范围较小时，电弧电流会频繁地在a、d点之间跳转，脉冲电流的频率自动增大。
(2)当送丝速度增大(或减小)时，焊丝熔化速度也应相应地增大(或减小)。该控制系统除了利用亚射流过渡固有的自调节作用之外，还可根据电弧电压的变化，自动调整增大(或减小)工作于脉冲电流的时间，亦即调整增大(或减小)脉冲电流频率，从而增大(或减小)焊丝熔化速度。这样，该控制系统也就具有了自动适应送丝速度波动和变化的能力。
(3)a点向d点跳转时，电流沿bcd线变化，是希望控制焊接电弧从亚射流过渡区经过，由于bc线上电流和电压之间是正反馈关系，实际的电流变化速度很快。d点向a点跳转时，直接跳至ae线的恒流特性曲线，避免在射流过渡区或大滴过渡区的经过时间过长。
(4)a点位置的确定由电流和电压坐标标定。电流应小于产生射滴过渡的临界电流，并使选择的电流尽可能不产生熔滴过渡，此值一般在50A以下；将图2上的亚射流过渡区边界的两条线反向延长见图3，与选定的电流线交于a、e两点，从而确定之。在实际选择时，a点电压可略高于亚射流过渡区下边界，其值一般在14～19v范围。
(5)d点位置的确定由电流和电压坐标标定。电流应明显大于产生射滴过渡的临界电流，使选择的电流能够产生熔滴过渡，此值一般在180A以上；将图2上的亚射流过渡区边界的两条线正向延长见图3，上面的曲线与选定的电流线交于d点，从而确定之。在实际选择时，d点电压可略高于亚射流过渡区上边界，其值一般在20～30v范围。
(6)c点电压应明显低于d点电压，但二者电流相同，使c点肯定处于亚射流过渡区内，本发明一般取c点电压低于d点电压5v左右。图3中c点附近有等熔化曲线经过，bc线的斜率应明显大于等熔化曲线的斜率，这样可以确定b点。
本发明可以取得以下有益效果利用逆变式弧焊电源进行实验，验证上述铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制方案，以直径1.6mm的焊丝为例加以说明。主要的过程控制参数是ae线基值电流、cd线脉冲电流、a点电压和d点电压四个物理量。根据上述条件，表1列出了多个实验波形的参数(其中Ar保护气流量15L/min，干伸长16～20mm，焊丝AlMg2/φ1.6)，Iae代表ae线电流，Icd代表cd线电流，Ua代表a点电压，Ud代表d点电压。
表1铝脉冲MIG焊自适应控制焊接实验工艺参数表Tab.1 Welding parameters of Al pulse MIG welding under self-adapting control
采用AlMg2/Φ0.8和Φ2.4的焊丝也可取的与上表相同的结果。
产生亚射流过渡电流、电压值特点是电流一般要超过射滴过渡临界电流，电压又不能太高。铝MIG焊产生射滴过渡的临界电流可达180A以上，而焊接电流在50A以下时，则不易产生熔滴过渡。因此，本实验选择脉冲电流为235A，远超过射滴过渡的临界电流，基值电流选择为30A。
图4(a)、(b)是表1中No.1～2的时基瞬时波形。随送丝速度的增加，脉冲电流所占时间比例增加，平均焊接电流也增加，但平均焊接电压则基本不变。这说明自适应控制系统会自动调节熔化速度适应送丝速度的变化，电弧电压则被控制在设定的电压上、下限之内。图4(b)出现的短路等不稳定状态表明了一种临界极限状态，特别是短路时间很短，几乎没有短路电流的上升，正是亚射流过渡的一种临界状态，其控制过程体现了前述亚射流过渡控制思想。
图5(a)、(b)是表1中No.3～4的时基瞬时波形。随电压上限Ud的增加，脉冲电流的时间宽度增加，平均焊接电压也增加，但平均焊接电流则基本不变。这说明弧长波动并未导致焊接电流的变化，具有固有自调节作用的特点。仔细分析图时基瞬时波形图5(a)可以看出在许多时刻都存在短路的趋势，说明处于亚射流过渡区；图5(b)出现的短路等不稳定状态表明了一种临界极限状态，特别是短路时间很短，几乎没有短路电流的上升，正是亚射流过渡的一种临界状态，其控制过程同样体现了前述的亚射流过渡控制思想。
总结上述几种控制结果，利用脉冲MIG焊的亚射流电弧自适应控制，可以有效地将电弧的电流、电压参数控制在亚射流过渡区，适当选择电压的上、下限，可使亚射流过渡有较大的调节范围，自动适应送丝速度、弧长等条件的波动。
MIG焊亚射流过渡自适应控制过程的高速摄像根据前述MIG焊的亚射流电弧自适应控制的控制思想，进行该过程控制下的高速摄像。
图6是对应于图8-5(b)中20～39ms之间一组高速摄像图片。第2幅(21ms)～第3幅(22ms)和第6幅(25ms)～第7幅(26ms)之间产生了极短暂短路，第9幅(28ms)～第11幅(30ms)之间、第14幅(33ms)～第15幅(34ms)和第17幅(36ms)～第19幅(38ms)的脉冲电流均产生了快速的熔滴过渡，而其他较小电流及其波动均未产生熔滴过渡。图6呈现出亚射流过渡的特征。
通过实际焊接可以明显看出，焊缝成形较好，阴极雾化区较大；经检测可以发现，焊缝表面无气孔等缺陷。本发明在大量实验的基础上，对所提出的亚射流过渡自适应控制思想进行了实验研究。
(1)验证了所阐述的控制思想的可行性，实现了铝及铝合金MIG焊亚射流过渡自适应控制。
(2)适当选择控制电弧电压的上、下限对于实现铝及铝合金MIG焊亚射流过渡自适应控制非常重要。
(3)所建立的铝及铝合金MIG焊亚射流过渡自适应控制系统的性能优良，可有效自动适应送丝速度、电弧弧长等因素的波动。
权利要求
1.一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，包括下列步骤确定a、b、c、d和e五点选择ab线的斜率大于或等于通过a点的电弧静特性的斜率，ed线的斜率应大于或等于通过d点的电弧静特性的斜率，a点电压14～19伏特，d点电压20～30伏特，c点电压小于d点电压5伏特，ae线和cd线为两条电源恒流特性曲线，bc线的斜率应明显大于等熔化曲线的斜率；使电弧在ae线上燃烧，电弧电压逐渐减小，当电弧电压小于或等于a点电压时，使电弧电流跳至b点沿bc线增加，到cd线电弧电流恒定，电弧在cd线上稳定燃烧，电压逐渐增加，当电弧电压大于或等于cd线上某一点的电压值时，电弧电流跳至ae线燃烧，进入下一个循环。
2.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，ae线恒流值为基值电流，小于50安培。
3.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，ae线恒流值为基值电流，选择为30安培。
4.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，所述cd线恒流值为脉冲电流，大于180安培。
5.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，所述cd线恒流值为脉冲电流，选择为235安培。
6.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，所述电弧电流频繁地在a、d点之间跳转时，脉冲电流的频率自动增大。
7.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，所述a点和d点电压值的差决定允许的电弧弧长波动范围，当允许的弧长波动范围较小时，电弧电流频繁地在a、d点之间跳转时，使脉冲电流的频率随电弧电流的跳转自动增大。
8.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，所述cd线恒流为脉冲电流，随着所述电弧电压的变化，自动调整增大(或减小)工作于脉冲电流的时间。
9.根据权利要求1所述的一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，其特征在于，采用的焊丝直径在Φ0.8和Φ2.4之间。
全文摘要
本发明涉及材料加工技术、焊接。具体讲，本发明涉及铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法。为提供一种铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，控制焊接弧长，解决铝及铝合金的焊接存在的一些较大的技术问题，如产生气孔、裂纹、夹渣等缺陷，以及焊缝成形、晶粒粗大等问题，本发明采用的技术方案是铝及铝合金熔化极气体保护焊的亚射流过渡自适应控制法，包括下列步骤选择ab线的斜率大于或等于通过a点的电弧静特性的斜率，ed线的斜率应大于或等于通过d点的电弧静特性的斜率，ae线和cd线为两条电源恒流特性曲线，bc线的斜率应明显大于等熔化曲线的斜率；使电弧在ae线上燃烧，当电弧电压小于或等于a点电压时，使电弧电流跳至b点沿bc线增加，电弧在cd线上稳定燃烧，当电弧电压大于或等于cd线上某一点的电压值时，电弧电流跳至ae线燃烧，进入下一个循环。本发明主要用于材料加工技术、焊接。
文档编号B23K9/06GK101045265SQ20061001340
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月31日 优先权日2006年3月31日
发明者杨立军, 李志勇, 李桓, 李俊岳 申请人:天津大学