熔滴短路過渡頻率測量裝置制作及其在教學中的應(yīng)用*

劉新林

(河南機電高等?？茖W校材料工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000)

1 引言

CO2氣體保護焊接方法從20世紀50年代初問世以來，以其高效、節(jié)能和成本低等特點受到人們極大的關(guān)注。近年來，其在國內(nèi)外焊接領(lǐng)域發(fā)展很快，在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用日趨廣泛，現(xiàn)已成為一種重要的焊接方法。在實際應(yīng)用中，CO2焊常采用熔滴短路過渡方式以適應(yīng)薄板焊接和全位置焊接的工藝要求。對于采用熔滴短路過渡的焊接過程穩(wěn)定性，常以熔滴短路過渡頻率之高低來作為其的衡量標準之一。為此我們制作了熔滴短路頻率測量裝置，用于實驗教學，以使學生們在理論學習和實踐中，對焊接過程有一個立體的感知，為今后的學習和工作打下一定的基礎(chǔ)。

2 短路過渡過程之電弧電壓、電流波形的形成及特點

2.1 熔滴短路過渡電壓、電流波形的形成

穩(wěn)定焊接過程下的電流、電弧電壓波形如圖1所示。電弧引燃后，焊絲受熱的作用，端頭開始熔化并形成熔滴(如圖中⑤)。隨著焊絲熔化，熔滴繼續(xù)長大(如圖中⑥⑦⑧)，此時電弧向焊絲傳遞的熱量減少，焊絲的熔化速度減慢，而焊絲的送進速度保持不變，此時送絲速度比熔化速度快，使熔滴接觸熔池造成短路(如圖中⑨①)。短路瞬間電弧熄滅，電弧電壓急劇下降至零伏。由于焊接回路電感的抑制作用，使短路電流以一定的速率上升。同時，在電磁收縮力、表面張力等力的作用下，焊絲與熔池間的熔滴金屬向熔池潤濕和轉(zhuǎn)移，隨后形成縮頸(如圖中③)，且逐漸變細(如圖中④)。當短路電流上升到一定數(shù)值時，縮頸在電阻熱作用下氣化而爆斷，熔滴過渡到熔池中，電弧電壓迅速恢復(fù)到再引燃電壓，電弧重新引燃(如圖中⑤)。此后重復(fù)上述過程［1－2］。

圖1 CO2焊短路過渡過程示意圖

2.2 熔滴短路過渡的特點

2.2.1 熔滴短路過渡的周期性

由圖1知，每次熔滴短路過渡都是由燃弧和短路兩個階段組成的，燃弧期，焊絲熔化，熔滴形成并逐漸長大。短路期，熔滴與熔池短路，電弧熄滅，在電磁收縮力、表面張力等力的作用下，熔滴向熔池過渡，從而完成了一次熔滴向熔池過渡的過程。在穩(wěn)定的焊接過程中，由這些持續(xù)不斷地過渡到母材上的熔滴形成了焊縫。由于每次熔滴的形成、長大和進入熔池需要一定的時間，所以熔滴的過渡具有一定的周期性。而其周期的大小，又因焊接條件(焊接電壓、電流、焊絲直徑等)不同而不同。

2.2.2 熔滴短路過渡的隨機性

熔滴短路過渡是在低電壓、小電流情況下發(fā)生的現(xiàn)象。在電弧熱作用下，焊絲端部發(fā)生熔化，形成熔滴且逐漸長大。在其長大的過程中，一方面由于電弧力的大小在不斷變化，熔滴受力狀況亦發(fā)生變化，從而造成熔滴上下浮動。另一方面，熔池液面隨著燃弧電流的衰減導(dǎo)致電弧力減小而回升。上述這些運動都是無規(guī)律的，從而造成了熔滴與熔池發(fā)生短路的時刻是隨機的［1］［3］。此外，焊絲輸送速度的變化，操作者操作手勢的變化也會影響這種隨機性。因此，同種焊接條件下的熔滴過渡的每個周期(也可用短路過渡頻率來描述)之間，具有一定的差異性。

3 熔滴短路過渡頻率測量裝置的工作原理

根據(jù)CO2焊熔滴短路過渡時，其電弧電壓波形具有周期性的特征，制作了熔滴短路過渡頻率測量裝置(以下簡稱短路頻率測量裝置)。電路原理見圖2。

圖2 熔滴短路過渡頻率測量裝置原理圖

3.1 電弧電壓信號的攝取

由焊接回路的構(gòu)成可知，弧焊電源的輸出電壓(也即焊接電壓)Uу等于焊接回路導(dǎo)線壓降Ur與電弧電壓Uh之和。在一定的條件下，電弧電壓Uh與焊接電壓Uу成正比關(guān)系。由于電弧電壓Uh在實測時不易實現(xiàn)，因此可以用焊接電壓Uу來代替電弧電壓Uh作為取樣信號。只要適當調(diào)整電阻R1和R2的比例關(guān)系，即可完成對電弧電壓的采樣。

3.2 電路工作原理

由前述可知，熔滴短路過渡過程由短路期t1和燃弧期t2構(gòu)成。當其處于短路期時，晶體管V截止，電源E經(jīng) R4、VD2對電容C2進行充電，電壓UC2充至穩(wěn)壓管VS的穩(wěn)壓值。當其處于燃弧期時，晶體管V導(dǎo)通。電容C2與晶體管V、VD3，微調(diào)電位器RP以及電流表PA構(gòu)成放電回路。放電電流流經(jīng)電流表PA，使電流表指針產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，因此過渡的熔滴每短路一次，就有一定的電流流經(jīng)電流表，電流表就指示出與短路過渡頻率相當?shù)钠骄娏?。由于穩(wěn)壓管VS的限壓作用，電容C2每次充得的電壓為恒定值，從而使得每次流經(jīng)電流表的放電電流是一樣的。所以電流表PA的指示平均值，只與熔滴短路的次數(shù)(即熔滴短路過渡頻率)成正比。單位時間內(nèi)熔滴短路的次數(shù)越多，電流表指示的平均值就越大。選擇適當?shù)某浞烹姇r間常數(shù)以及合適的電流表PA的量程，可以使短路過渡頻率與電流表刻度有較好的對應(yīng)。經(jīng)信號發(fā)生器校準，其準確度可達95%。通過實際使用，該裝置可以完成對熔滴短路過渡頻率的測量。

4 短路頻率測量裝置在教學中的應(yīng)用

如何鑒別一個焊接過程是否穩(wěn)定呢?對于有經(jīng)驗的焊接操作者來說，其可以根據(jù)熔滴短路過渡時發(fā)出的有節(jié)奏的爆破聲來定性的進行判斷(但無法進行定量的描述)。爆破聲的節(jié)奏越密集，即熔滴短路過渡的頻率越高，其焊接過程越穩(wěn)定。而對于初學者的在校學生而言，在實際判斷時，往往有一定的難度。通常可以利用示波器拍照電壓波形的方式，可以較準確地計算出短路過渡頻率值。但整個過程需時較長，不適宜焊接現(xiàn)場操作使用。況且由于熔滴短路過渡的隨機性所致，其短路過渡周期不盡相同。事實上，實時拍出的一組電弧電壓波形中，各個周期也有差異。在計算短路過渡頻率時，仍須進行平均或近似的處理。而采用前述的短路頻率測量裝置可以方便、及時地讀取短路過渡頻率值，以便學生們在撰寫實驗報告時可以進行定量的描述和比較。

使用短路頻率測量裝置可以進行如下實驗:

1)電弧電壓對短路過渡頻率的影響

本實驗中，采用同一焊絲直徑、同一焊接電流和不同的焊接電壓進行焊接試驗。通過比較熔滴短路過渡頻率以了解電弧電壓對其的影響。

2)焊接回路電感對短路過渡頻率的影響

本實驗中，焊絲直徑、焊接電壓、電流均固定。在穩(wěn)定的焊接過程下，改變焊接回路的電感(變換濾波電抗器的抽頭位置)大小，測取不同條件下的短路過渡頻率值，進而了解回路電感對短路過渡頻率的影響。

3)焊絲直徑對短路過渡頻率的影響

本實驗中，焊接電流、回路電感不變。在焊接過程穩(wěn)定條件下(因焊絲直徑不同，過渡熔滴體積不同，此時焊接電壓可少許調(diào)整)，測出不同焊絲直徑進行焊接時對應(yīng)的短路過渡頻率值，通過比較以了解焊絲直徑大小對短路過渡頻率的影響。

4)同種直徑焊絲、不同焊接電流時的熔滴過渡形式的判別

本實驗中，采用φ1.6焊絲，選擇不同的焊接參數(shù)(小電流Ih≤200A;大電流Ih＞350A)進行焊接。焊接過程穩(wěn)定時，分別測量出兩組焊接參數(shù)對應(yīng)的熔滴過渡頻率(小電流焊接時，熔滴呈短路過渡形態(tài)，測量裝置的指示值不為零;大電流焊接時，熔滴呈細顆粒過渡形態(tài)，無熔滴短路現(xiàn)象，故測量裝置的指示值為零)。通過頻率比較，可以判別不同焊接參數(shù)下所呈現(xiàn)的熔滴過渡形式。

5 結(jié)語

本測量裝置用于教學實驗，簡單、有效、可行。使學生從電氣測量的角度來加深對熔滴過渡形式的理解以及通過測量熔滴短路過渡頻率值進而判定是否獲得穩(wěn)定的焊接過程。

［1］殷樹言，等.CO2焊接設(shè)備原理與調(diào)試［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］奚道巖.金屬結(jié)構(gòu)的電弧焊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［3］中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊第一卷，焊接方法與設(shè)備(第三版)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.