摘要：根據(jù)CO₂氣體保護(hù)焊短路過渡的特點(diǎn)，利用電壓比較器、微分電路、數(shù)字電子線路，設(shè)計(jì)了短路檢測電路和短路液橋縮頸檢測電路。對所設(shè)計(jì)的電路成功地進(jìn)行了仿真和實(shí)際焊接試驗(yàn)驗(yàn)證。

河南科技*材料科學(xué)與工程，河南洛陽471003

河南科技*電子信息工程，河南洛陽471003

關(guān)鍵詞：短路檢測；縮頸檢測；電子電路

一、前言

Co₂氣體保護(hù)焊是一種易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的焊接方法，具有高效、節(jié)能、抗銹、低氫、低成本以及可全位置焊接等優(yōu)點(diǎn),因此在中、薄板和全位置焊接中得到了廣泛的應(yīng)用。短路過渡是Co₂氣體保護(hù)焊中采用的最重要的熔滴過渡形式，易于實(shí)現(xiàn)全位置焊接，但普遍存在飛濺大和成形不好2個(gè)問題。飛濺大惡化工作環(huán)境，焊絲消耗量增大，而且增加了清理的工作量，降低了工作效率。隨著焊機(jī)自動(dòng)化程度的不斷提高，對焊接電源的改進(jìn)提出了更高的要求。   

近年來，對Co₂焊短路過渡過程的控制也越來越趨于電子化控制，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了多種控制方法，如能量控制和波形控制等，這些控制方法都要求準(zhǔn)確檢測出短路初期和短路末期。文獻(xiàn)^[1]指出：檢測到短路信號后，減小焊接電流至10A并維持0.75ms，用微分信號檢測到液橋縮頸信號后，在5us內(nèi)將電流降至50A。目前，通過在短路初期和液橋縮頸即將爆斷時(shí)減小焊接電源的輸出電流來控制飛濺已成為一種共識。

二、Co₂焊短路過渡過程電弧電壓波形

在Co₂焊中，焊絲端部熔化形成熔滴，熔滴長大與熔池發(fā)生短路接觸后，成為連接焊絲與熔池的金屬液橋。液橋主要受到表面張力和電流產(chǎn)生的電磁收縮力的作用，在此作用下，液橋金屬出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，發(fā)生收縮、破斷并向熔池過渡，這一過程稱為短路過渡過程。典型的表面張力過渡的電壓波形如1圖所示，整個(gè)過渡過程分為短路前期(t0-t1)、短路中期(t1-t2)、短路后期(t2附近)、表面張力過渡區(qū)(t2-t3)、燃弧前期(t4-t5)、燃弧中期(t4-t5)、燃弧后期(t5-t6)、基值電流區(qū)(t6-t7)。

實(shí)驗(yàn)中采用ZP7逆變焊機(jī)，焊接電壓23V，焊接電流200A，焊絲H08Mn2SiA。圖2是試驗(yàn)中測得的焊接波形。在*個(gè)短路過渡周期中,t0時(shí)刻（約2ms處）為正常熔滴短路時(shí)刻，這時(shí)電壓由23V陡降至5V左右;t2時(shí)刻(約%3.2ms 處）為小橋縮頸即將爆斷時(shí)刻，從短路開始到這一時(shí)刻，電壓首先基本保持在3V左右，大約在2.5ms處電壓迅速上升至6V后，電壓有一個(gè)很短的下降過程。短路結(jié)束t3時(shí)刻(約4ms處），此時(shí)電壓由短路時(shí)的6V左右猛然上升到25V以上。小橋的縮頸和爆斷是兩個(gè)完全不同的物理現(xiàn)象，盡管兩者之間有聯(lián)系，時(shí)間上也非常接近，但必須把它們區(qū)分開，因?yàn)楫?dāng)液體小橋爆斷、電弧再引燃時(shí)，電弧電壓才出現(xiàn)陡升，此時(shí)刻對于判斷液體小橋是否產(chǎn)生縮頸已無意義，但對于熔滴過渡是否結(jié)束的判斷還是十分有效的。該研究檢測的是短路前期的熔滴短路t0時(shí)刻和小橋縮頸即將爆斷t2時(shí)刻以及短路結(jié)束的t3時(shí)刻。

三、Co₂的檢測和引弧短路區(qū)分

焊接電壓輸入到短路檢測電路后，檢測電路要及時(shí)檢測熔滴與熔池的接觸時(shí)刻。通常有2種情況存在：一是熔滴短路，它是焊接完全正常時(shí)電壓由25V左右陡降到5V左右；二是在焊接剛開始或者在焊接過程中斷弧以后再引弧時(shí)才有的，此時(shí)電壓由65V 左右陡降至5左右，此時(shí)如果降低焊接輸出電流，會(huì)導(dǎo)致熄弧。

在實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)時(shí)，難以抓到空載、燃弧、短路同時(shí)存在的情況，因此在此采用ORCAD9.1 進(jìn)行了仿真，如圖3所示。

圖中*個(gè)周期2-3MS期間是空載階段，電壓在65v左右；3-8ms為短路階段，此為引弧短路；8-15是燃弧階段。第二個(gè)周期中15-18ms為正常熔滴短路階段。針對短路過渡的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的電路必須滿足以下要求：a.正確區(qū)分引弧短路和熔滴短路；b. 發(fā)出的信號應(yīng)是單片機(jī)能夠接受的數(shù)字信號；c. 具有一定的抗干擾能力。

短路前期熔滴短路的檢測電路如圖4所示。輸入信號經(jīng)過穩(wěn)壓管限幅，為使集成比較器能正常工作同時(shí)不影響波形檢測，將空載電壓值限制在28V內(nèi)。限幅后的電壓信號輸入窗口比較器(由2個(gè)LM324比較器A1和A2組成），比較器的輸出為檢測電路的輸入。因短路電壓一般不超過10V，燃弧電壓在17-25V之間，而空載電壓超過30V，設(shè)計(jì)比較器的兩個(gè)給定電壓值U1和U2分別為12V和25V。當(dāng)被比較的信號Uin位于門限電壓之間時(shí)(U1U2或Uin

從圖5中可知，15.2ms處的下降沿為熔滴短路to時(shí)刻的檢測信號。圖4 中在3ms處的電壓波形為引弧短路過程的模擬。由于短路前后弧焊電壓分別為65V、5V，所以弧焊電壓從50V過渡到5v的過程中處于25-12V之間的時(shí)間很短，造成檢測電路的輸出脈沖很窄，因此很容易去掉此尖峰脈沖，實(shí)現(xiàn)對引弧短路的區(qū)分。該研究選擇用軟件濾掉這一干擾脈沖：檢測到上升沿后，若高電平持續(xù)1ms以上檢測到的下降沿為t0時(shí)刻檢測信號，否則為短路引弧過程。

該電路能夠準(zhǔn)確檢測到t0時(shí)刻(輸出波形的下降沿15.2ms處），同時(shí)將熔滴短路與引弧短路明顯區(qū)分開來，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，完全可以在實(shí)際焊機(jī)中使用。

四、小橋縮頸即將爆斷t2時(shí)刻和短路結(jié)束t3時(shí)刻的檢測

經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究表明：在液體小橋縮頸即將爆斷時(shí)，除電弧電壓的一階微分、二階微分信號品質(zhì)較好外，其余信號均因品質(zhì)一般或太差而無法利用。采用一階微分和二階微分聯(lián)合的檢測電路原理圖如圖6所示。

由于短路電壓一般都小于10V而燃弧電壓一般在17-25V 之間，為去除干擾保證電路正常工作，首先用穩(wěn)壓管VS1把輸入信號Uin限制在12V以內(nèi)，然后經(jīng)微分放大器A1捕捉輸入信號的下降跳變，經(jīng)比較器處理后送給光電耦合CLC6隔離得到輸出Uout2。輸入信號的一階微分信號（A1輸出）經(jīng)A2二階微分，把縮頸處的下降跳變信號放大，經(jīng)過比較器A3進(jìn)行比較及光耦輸出形成輸出信號Uout2。

圖7為實(shí)際焊接實(shí)測波形。通過綜合觀察檢測電路的輸出Uout1、Uout2可以看出熔滴過渡過程中的不同關(guān)鍵時(shí)刻。Uout1的*個(gè)下降沿是短路的開始時(shí)刻t0；Uout2上升沿為短路結(jié)束時(shí)刻t3；當(dāng)波形3處于低電平時(shí)，延時(shí)200us后查詢波形2的狀態(tài)，查到的下降沿為小橋縮頸即將爆斷時(shí)刻t2。

另外，由于短路時(shí)間小于1.5ms時(shí)，焊接電弧并沒有明顯的縮頸過程，在這種情況下，若發(fā)出縮頸控制信號使電源輸出電流減小，則可能造成斷弧。該電路對輸入電壓的下降跳變很敏感，但對短時(shí)短路不會(huì)檢測到縮頸信號即!Uout1不會(huì)輸出第二個(gè)下降沿。如圖8波形2所示，在第三個(gè)短路過渡周期中無縮頸信號產(chǎn)生（波形2只有一個(gè)下降沿）。因此該電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

五、結(jié)論

短路檢測電路利用焊接輸出電壓的變化確定熔滴短路的狀態(tài)和時(shí)刻，該研究所采用的電路可準(zhǔn)確檢測短路前期熔滴短路t0時(shí)刻、小橋縮頸即將爆斷t2時(shí)刻和短路結(jié)束t3時(shí)刻，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力，為研制波形控制逆變式Co₂焊機(jī)奠定基礎(chǔ)。