埋弧焊的自动调节

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第97页（3186字）

焊接过程的稳定性取决于焊接工艺参数，特别是焊接电流、电弧电压和焊接速度这三个能量参数。因此为了保证焊接质量，不但要求焊前根据工件的实际情况正确选择这些焊接参数，还要求这些参数在焊接过程中能够保持恒定不变。手工电弧焊主要通过焊工的直接干预来保持这些参数稳定，而自动电弧焊时焊工是无法干预焊接过程的，因此要求三个能量参数(焊接电流、焊接速度、电弧电压)能够自动调节。而半自动焊接要求焊接电流及电弧电压能够自动调节，而焊速的调节由焊工进行。

1．焊接速度的自动调节

任何自动化焊接方法均是利用电机拖动焊接小车、胎夹具或工件来进行焊接的，焊接速度直接由拖动电机决定，因此焊接速度的自动调节问题就是电机转速自动调节问题。

自动弧焊机一般采用直流拖动系统，而直流拖动系统几乎都是采用转子调压式调速方法。引起电机转速波动的主要因素是电网电压波动及拖动负载的波动。为了克服这两个干扰因素，维持转速恒定，通常采用电枢电压负反馈、电势负反馈、电枢电流正反馈、测速发电机负反馈等进行控制。

图1－3－2为一种典型的晶闸管拖动电路^［1］。该拖动电路同时采用了电枢电压负反馈与电枢电流正反馈来进行转速自动调节。电枢电压负反馈信号从R₃、R₄组成的分压器上取出。一般取R₃+R₄=10kΩ，反馈深度U_u／U_d=R₄／(R₃+R₄)=10%。电枢电流正反馈信号U_i从电阻R₅(数值为零点几到几欧姆)上取出。在R₄、W₃、R₅构成的回路中，流过W₃的电流为I_w3∞(U_i－U_u)。因此，从W₃中点取出并加到BG₁基极的控制信号为含有电枢电流正反馈及电枢电压负反馈的组合信号U_i－u=(U_i－U_u)／m，式中m为W₃的分压比。给定信号U_g从电位器W₄中点取出，与U_i－u并联后叠加到BG₁基极上。当电机转速变小时，(U_i－U_u)随之增大，晶闸管导通角增大，电机转速上调，直至回到原来的数值。

图1－3－2 典型的晶闸管拖动电路^［1］

2．焊接电流及电弧电压的自动调节

焊接过程中，电弧电压及焊接电流是由静态工作点(电源外特性与电弧静特性的交点)确定的。凡是影响这两条曲线之位置的干扰因素，均影响焊接电流及电弧电压的稳定性。这些干扰因素有：弧长波动、电弧气氛的成分变化、网压波动等。其中，弧长波动引起的干扰最严重，这是因为一般情况下，弧长最长不过十几毫米，电弧的电场强度大约为1～4V／mm。只要弧长发生1～2mm的变化，就会使电弧电压发生明显的变化(10%～20%)。而实际焊接过程中，弧长发生1～2mm的变化是很容易的。而焊接过程中电弧的气氛基本上不发生变化，而且一般焊机均有网压补偿功能，因此另外两个干扰因素的影响是很小的。所以，焊接电流及电弧电压的自动调节问题主要是弧长的自动调节问题。

弧长的自动调节方式有两种：等速送丝调节系统的自身调节及均匀送丝系统的电弧电压反馈调节。

(1)电弧自身调节 电弧自身调节调节作用适用于细丝。采用这种调节作用进行调节时，焊丝以恒定的速度送进，弧长波动时，熔化速度发生变化，依靠熔化速度的变化调节弧长，使其恢复到原来的长度。弧长调节原理如图1－3－3所示。弧长减小时电弧静特性曲线下移，电弧的工作点由稳态的O₀变为瞬态工作点O₁，焊接电流增大，焊丝熔化速度加快，从而使弧长逐渐增大，回到原来的数值。显然，这种调节的灵敏度取决于单位弧长变化所引起的焊丝熔化速度变化量，该变化量越大，灵敏度越大。

图1－3－3 弧长波动时电弧工作点的移动^［2］

电弧稳定燃烧时，熔化速度(v_m)等于送丝速度(v_f)，而且弧长保持稳定，熔化速度(送丝速度)与电流及电压之间的关系如图1－3－4所示，该曲线被称为等熔化曲线，也称为等速送丝系统的静特性曲线。在不同的弧长范围，熔化速度与电流及电压的关系不同，其调节原理也有所不同。

图1－3－4 等熔化曲线^［1］

弧长较大时，熔化速度仅与电弧电流有关：v_m=k_iI(k_i为熔化速度随电流变化的系数，取决于焊丝的电阻率、干伸长度及直径)；弧长波动引起的熔化速度变化量为△v_m=k_i△I。在这种情况下，弧长波动引起的熔化速度的变化主要是由电弧电流的变化引起的，调节灵敏度主要决定于k_i及弧长发生波动时引起的△I。采用平特性或缓降特性的电源时，同样的弧长波动引起的△I较大，调节灵敏度较大，而且采用平特性或缓降特性的电源时，弧长自动调节的精度也较高。因此，弧长较大时，等速送丝系统通常匹配平特性或缓降特性电源。由于焊接电流一定时，k_i随焊丝直径的增大而减小，焊丝直径较粗时，电弧自身调节灵敏度很小，因此弧长自动调节仅适用于细丝，不适用于粗丝。

弧长较短时，熔化速度与电弧电流及电弧电压均有关：v_m=k_iI－k_uU(k_u为熔化速度随电压变化的系数)，弧长波动引起的熔化速度变化量△v_m=k_i△I－k_u△U，由于弧长较短时，k_u非常大，因此，即使采用恒流特性的电源(△I=0)，弧长波动时仍能引起足够大的△v_m，具有足够大的灵敏度。而且，采用恒流特性电源时具有很好的焊接工艺性能，因此短弧时，等速送丝系统通常匹配恒流特性电源。在这种情况下，熔化速度的变化是由弧长波动本身引起的，对电源的外特性无任何依赖性，因此这种调节作用称为固有自调节作用。它是自调节作用的一种特殊形式。

值得指出的是，钢焊丝的等熔化曲线没有BC段，因此没有固有自调节作用。只有以铝焊丝作电极的气体保护电弧才有自调节作用，铝焊丝MIG焊的亚射流过渡正是采用了这种调节作用。埋弧焊电弧没有这种固有自调节作用。

(2)弧压反馈调节 焊丝较粗时，电弧自调节灵敏度很低，不能保证弧长稳定。此时应采用弧压反馈调节系统。这种调节方式通过弧压反馈来控制送丝速度，利用送丝速度作为调节量来调节弧长。送丝速度v_f与电弧电压的关系为：

v_f=k(U_a－U_g)

其中k为弧压反馈深度，U_a为电弧电压。U_g为给定电压。当弧长增大时，送丝速度增大，单位时间内送出的焊丝长度大于熔化的焊丝长度，从而迫使弧长逐渐缩短，恢复到原来的长度。反之，如果弧长变短，电弧电压减小，送丝速度减小(甚至回抽)，单位时间内送出的焊丝长度小于熔化的焊丝长度，弧长逐渐变长，回到原来的长度。

显然，弧压反馈灵敏度取决于单位弧长变化量所引起的送丝速度变化量，而送丝速度的变化量可用下式表示：

△v_f=k△U_a

弧压反馈深度k越大，弧压反馈调节的灵敏度越大；电弧电场强度越大时，同样的弧长波动引起△U_a的越大，调节灵敏度就越高。采用陡降特性的电源时，同样的弧长波动引起的△U_a比缓降特性电源引起的△U_a大，调节灵敏度较高。因此，弧压反馈调节系统通常采用陡降特性的电源。