(3)电流波形控制。 这种方法的主要思路是：根据短路过渡电弧对 电流波形的需要，采用两组设计好的电流波形，分别 控制短路和燃弧期间的状态，希望获得较好的效果。 但是波形控制方法存在的主要问题有下列几个方 面：a． ຫໍສະໝຸດ 于熔滴过渡的随机性和分散性，每个熔滴
的过渡过程都不相同，所以预置电流波形难以跟每
个熔滴过渡过程同步和适应。
—
status in different countries is also introduced．The principle problems in existent control methods are analyzed in detail，and effective
名
methods to improve the processing properties of MIG／MAG short circuiting welding arc are presented．A new control system of MIG／
但是，通过对系统的数学模型的定量计算，发现 这种方法实际上是行不通的。原因在于焊丝回抽系 统的动态响应不足。焊丝回抽系统的动态响应决定 于检测和控制系统的动态响应、电机和减速机械系 统的动态响应和焊丝在送丝软管中运动的动态响 应三部分组成。且不说前两部分的动态响应就比液 桥后期的收缩过程慢得很多，光是焊丝在送丝软管 中的滞后时间就比液桥收缩时间要长得多。即使将 从送丝轮到焊丝端部距离减少到 30 cm，焊丝在送 丝软管中的滞后时间仍然太长。因此，这种方法实际 上是行不通的，焊丝运动响应跟不上液桥和电流的 变化。但是如果将思路反过来，让电流跟随焊丝的运 动，就能保证电流变化与焊丝运动的同步，这种方法 福尼斯做出了比较好的效果。但是，还是因为动态响 应问题，只能在较小电流范围有效。而且，因为限制 了短路电流，同时也影响了电弧能量，只能在“冷 焊”工艺中发挥它的特色。
授，主要从事机械工程、材料加工过程和焊接过 程控制与自动化等方面的教学和科研工作，获得 一系列重要的研究成果。
定。控制焊接电源动态响应和改变焊接电流波形的 方法很多，传统的焊接电源靠焊机输出的直流电感 来控制焊接电流的变化，获得正常的焊接电流的 di／dt。焊机直流电感的参数在焊接过程中是不能改
Electric Welding Machine ·77·
Key words：MIG ／MAG short circuiting welding；welding spatter；weld forming
爱
心
0 前言
CO2 气体保护焊是典型的 MIG／MAG 短路过渡 焊接方法，是国内工业生产中一种重要的方法，尤其
奉
节范围窄的问题，研究成功了一种 ODSER 焊接电源
详细分析了现存控制方法在原理上存在的问题，提出有效改善 MIG／MAG 短路过渡焊接电弧工艺性能
的方法。介绍了自行开发成功的一种 MIG／MAG 焊接电源控制系统，以及一种十分有效的降低焊接飞溅
的新方法，并展示了跟市场现有焊机的对比实验结果。
关键词：MIG／MAG 短路过渡焊；焊接飞溅；焊缝成形
中图分类号：TG403
法。如采用混合保护气体的方法，优化焊机输出直流 电感设计的方法，采用电子电抗器调节电源动态特 性的方法等。这些方法虽然对降低焊接飞溅有一定 的效果，但是都没有直接对液桥后期电流进行控 制，所以收效甚微。现有的常规 CO2 焊机只是给焊接 电弧提供一个电源，常规的方法只能改变电源的静 特性和动特性，缺乏对熔滴过渡瞬时过程的实时控 制。所以不可能取得很好的效果。
家
MAG welder and a new method of reducing welding spatter effectively are brought in this paper，as well as the comparison results
新 作
with existing welder．
作 可以获得很“硬”的焊接电弧和较小的燃弧能量；
产生飞溅的主要原因是由于当短路液桥收缩
爱
也可以获得很“软”的电弧和较大的燃弧能量。在
到较细时，短路液桥的电流密度很大，短路电流对
心 相同电源电压条件下，改变电子电抗器参数，燃弧
液桥的迅速加热，导致液桥气化而爆炸引起飞溅。引
奉
能量能够有很大幅度的变化(相差可达 25％)。而且， 起短路液桥爆炸和飞溅有两种情况：在熔滴刚刚短
b． 缺乏短路液桥收缩状态的准确检测，电流控
制缺乏依据。
c． 由于电流波形受控或者受到限制，影响了电
弧弧长的自调性能和稳定性。
d． 由于直流电感的存在或焊接电源动态响应不
足，难以实现电流的快速实时控制。
e． 由于缺乏对每个熔滴收缩过程后期的针对性
的实时控制，难以收到理想效果。
(4)电流波形的寻优控制。
—
态响应和电流波形。使得焊接电源动态响应调节范
名 家
围十分宽广，可以获得各种焊接电流波形，以便适
新
应各种焊接条件对电弧能量和动态响应的需求。既
工艺在工业生产中的进一步推广和应用。国内外许 多研究机构和研究人员一直在努力寻找减小飞溅 的有效途径，但是一直没有找到有效的方法，始终 没有获得满意的工艺效果。
专题讨论
第 39 卷
变和调节的(除采用抽头方式调节外)，因此传统的
短路过渡 MIG／MAG 焊机的动态响应和电流波形
是固定不变的。逆变焊机的电源动态响应和电流波
形可以靠电流反馈过程来实现。改变电流反馈系统
的校正参数就可以获得不同的动态特性和不同的
焊接电流波形。但是，市场上的短路过渡 MIG／MAG
—
b． 由于熔滴过渡的分散性和差异性，系统只能
名 家
对若干个熔滴过渡参数进行采样和平均。由于采样
新
的动态响应不够，根据采样控制系统的基本原理， 作
系统控制的动态响应不可能很快，否则就会出现系 爱
统振荡。
心
(5)切换两组电源外特性的控制方法。
奉
献
这类方法主要思路是：在短路和电弧状态，分别
切换两条不同的电源外特性，分别控制短路状态和
由于在短路初期电流比较小，焊接的动态响应限制
一种优秀的 MIG／MAG 焊接电源控制系统。
了短路电流的增长率，一般情况下不会在短路初期
引起液桥的爆炸和飞溅。除非在焊接电流较大，电源
特性较软，燃弧电压较高，熔滴处于大滴或混合过
渡方式时，才会出现短路初期液桥爆炸和飞溅，称之
为瞬时短路飞溅。所以，短路过渡焊接飞溅主要发生
2．1 研究现状与分析
就各种减少焊接飞溅的方法和目前的研究现状进
焊接飞溅大是短路过渡 MIG／MAG 焊接方法的
行具体分析。当前，致力于减少焊接飞溅的方法，可
·78· Electric Welding Machine
专题讨论
区智明等：改善 MIG／MAG 短路过渡焊接电弧工艺性能的方法
第1期
以分成下列几类。 (1)常规方法。 常规方法是指目前已在生产中广泛应用的方
第 39 卷 第 1 期 2009 年 1 月
Electric Welding Machine
Vol．39 No．1 Jan．2008
改善 MIG/MAG 短路过渡焊接电弧 工艺性能的方法
区智明，孙晓明，夏胜全
(清华大学 机械工程系，北京 100084)
摘要：阐述了 MIG／MAG 短路过渡焊接电弧工艺性能存在的问题，介绍了各国在该领域的研究现状，
这种方法主要是在电流波形控制的基础上，根
据电弧和熔滴过渡的状态，利用计算机对电流波形
进行修正和优化。根据若干周期熔滴过渡的平均状
态来判断和改变后面的电流波形。这种方法主要问
专
题有下列两个方面：
题 讨
a． 只能实现平均控制，不可能针对每个熔滴过
论
渡过程进行控制，而熔滴差异性很大，不可能有很 —
好的效果。因此具有波形控制的相同缺点。
质优异的短路过渡 MIG／MAG 焊接电源控制系统。 溅，不仅浪费了金属，降低了熔敷效率，恶化了焊工
系统采用双阶梯电源形外特性(见图 1)，能够避免
的工作条件，污染了环境，影响工件的美观，降低了
焊接过程中的瞬时断弧和限制短路电流峰值；电源
生产效率，而更重要的是：飞溅的产生降低了电弧
专
控制系统采用电流电压双闭环负反馈控制技术(见
1 ODSER 焊接电源特性控制系统
目前，国内外的 MIG／MAG 短路过渡焊接电源控 制系统普遍存在的问题是焊接电源的动态响应调 节范围很窄，控制电源的动态响应和焊接电流波形 不能满足各种焊接条件和焊接成形的要求。焊接电 流波形的不恰当导致焊接电弧和焊接过程的不稳
收 稿 日 期 ：2008－12－19 作 者 简 介 ：区智明(1945—)，男，广东新会人，博士生导师，教
(2)控制焊丝的瞬时回抽，利用机械力来协助或 控制液桥过渡的方法。
这种方法的意图是通过焊丝的瞬时回抽，用机 械力来实现液桥过渡，避免液桥后期在大电流下爆 炸。在短路液桥的收缩过程中的后期，在适当的时机， 降低液桥电流，通过控制焊丝回抽来拉断液桥。由 于该方法是想在低电流的条件下用机械力来拉断 液桥，在原理上，可以避免液桥在大电流的爆炸和 飞溅。
焊机的电源动态响应调节范围很窄，有的焊机电弧
偏“软”，电弧能量较大，不适宜焊接薄板和全位置
焊接；有的焊机电弧偏“硬”，电弧能量较小，焊接
中厚板时焊缝熔深和成形较差。 本研究开发成功的 MIG／MAG 短路过渡焊接电
图 2 电流电压双闭环负反馈控制
源控制系统，即称之为 ODSER 控制系统，是一种品
主要缺点之一。短路过渡焊接过程产生大量金属飞
文献标识码：C
文章编号：10 01－2303(2009)01－0077－06