CN1665633A

CN1665633A - 用于金属电弧焊接的控制方法和系统

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Publication number: CN1665633A
Application number: CN038155257A
Authority: CN
Inventors: 约翰·诺里什; 克里斯托弗·戴维·库克; 多米尼克·库尤利; 保罗·迪·彼得罗; 加里·迪安
Original assignee: University of Wollongong
Current assignee: University of Wollongong
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: EP1509357B1; EP1509357A4; CN100377826C; US7705270B2; AUPS274002A0; WO2003101658A1; EP1509357A1; US20060138115A1; JP2005528223A

Abstract

公开了一种在焊接过程中控制电弧焊接系统的方法，焊接过程具有多个焊接周期，其中将可消耗的电极(14)向工件(16)推进。该方法包括响应于焊接过程中发生的预定事件，在每个焊接周期中动态调节电极的推进速度和瞬时熔化速度。电极的熔化速度可以和推进速度协调，以提供宽范围的稳定沉积速度，同时使用保护气如二氧化碳。也公开了用于实施该方法的电弧焊接系统。

Description

用于金属电弧焊接的控制方法和系统

发明领域

本发明一般地涉及焊接，更具体地说，涉及用于气体金属电弧焊接(GMAW)的控制方法和系统。

发明背景

在典型的GMAW方法中，所形成的焊接电路包括可消耗的电极、工件和电源。电极通常是一种实芯焊丝，并且不仅传导用于维持电弧的电流，而且熔化并为焊缝提供填充材料。在焊接过程中可以供给保护气如氩气或二氧化碳(CO₂)或氩气和氦气以及二氧化碳和/或氧气的混合物以支持电弧并且防止熔化的金属与环境气体中的氧气和氮气反应。

可以设计GMAW方法使得当与氩气或氩气-氦气保护气使用时它在大范围的沉积速度下都能可靠地操作。在低沉积(或焊丝进给)速度下，焊丝电极中的电流密度较低，因此该方法在短路传递模式下操作。在此模式下，在电极末端形成的熔融液滴规则地接触焊池，并且通过表面张力和电磁力的组合作用来进行金属传递。正确选择主要工艺参数，可以使该模式非常稳定地操作。

当焊丝进给速度增加时，电流密度也必须增加，以使熔化速度与进给速度匹配。对于平均电流为大约170A-200A(0.9mm直径的焊丝)，该方法以熔滴传递模式操作。该模式的特征在于较大的液滴在重力和电磁力的组合作用下以不规则的间隔分离。这种不规则的金属传递导致较差的焊缝外观和较高的操作工要求。在这些电流范围内，优选以脉冲喷射传递、开弧法操作GMAW方法，其中金属传递是规则的，并且可以通过电流波形来精确控制。尺寸一致的液滴以规则的间隔和最小的溅射被推进穿过电弧，产生中等尺寸的光滑焊缝。

当对于0.9mm焊丝的电流大于约200A时，该方法转变为喷射传递模式。在该模式中，直径小于电极的细小液滴高速穿过开弧，从电极推进至焊池。当电流增加时，液滴变小并且电极端变得更为锥形。恒定的金属传递产生光滑的焊缝。高电流产生高热输入和相对宽的焊缝，如果移动速度足够高，以至于避免了“搅炼(puddling)”但是没有产生底切，也可以实现大熔合面积和深穿透。由于大的、高度液化的焊池，该模式的位置容量(positional capability)被限制在下手(down hand)。在非常高的电流(大于400A)，并且其中电极伸出长度足够长时，可以产生旋转电弧传递。在这些情况下，认为电极的阻抗预热足够高，使其软化到可以通过非轴向电弧力而旋转的程度。如果需要非常高的沉积速度，则在喷射模式中以较低的焊丝进给速度使用较大的电极。

由于可以采用如上所述的多种具体操作模式，因此对于给定的电极尺寸，基于氩气的GMAW方法可以在很宽的沉积速度范围内操作。因此它已经广泛用于焊接工业。

与二氧化碳相比，氩气的主要缺点是它相对高的生产成本。由于二氧化碳是诸如酿造业的加工过程的副产物，不需要低温蒸馏设备，因此它相对廉价。但是将二氧化碳保护的GMAW用于大体积制品焊接仍然有许多限制需要解决。

在使用二氧化碳与氩气保护气的GMAW方法之间最明显的区别在于二氧化碳方法不会表现出喷射传递模式。对于较低的电流(0.9mm焊丝小于170A)，二氧化碳方法以短路传递(dip transfer)模式操作。整体行为类似于氩气，但溅射量往往更高并且成品焊缝不光滑。

尽管可以通过增加电流，采用熔滴传递模式沉积焊缝，但是得到的焊缝外观较差，电弧稳定性也较差，并且溅射非常高。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于控制焊接过程的改进方法和系统，从而以高沉积速度生产质量良好的焊件。本发明的一个具体目的是在保持良好的焊接质量的同时增加沉积速度，这可以采用二氧化碳或混合保护气来实现。

根据本发明的一个方面，提供了一种在具有多个焊接周期的焊接过程中控制电弧焊接系统的方法，在焊接周期中可消耗的电极向工件推进，所述方法包括响应于所述焊接过程中发生的预定事件在每个焊接周期中动态调节所述电极的推进速度和瞬时熔化速度。

在一种形式中，本发明可以涉及一种控制具有一个焊接周期的电弧焊接过程的方法，在该焊接周期中可消耗的电极向工件推进，其中在该焊接周期中电极的瞬时熔化速度和电极的推进速度都受到控制和调节。本发明还涉及一种焊接系统，它可以使这些焊接参数受到控制和调节，以及一种用于焊接系统的控制器。

根据本发明控制电弧焊接过程的方法具有很大的优势。具体而言，采用该方法可以明显地改进沉积速度，同时保持良好的焊接质量。尤其是它可以使焊接过程的参数得到更精确的控制，从而更好地控制液滴生长和液滴到工件的传递。

在一个特别优选的形式中，电极的瞬时熔化速度可以通过控制电源所产生的电流波形来加以控制。为了能够适当地控制电流，电源需要具有足够的响应时间。已经发现电流响应速率为250A/ms(安培/毫秒)是合适的，但是优选速率大于400A/ms。

在一种形式中，使用结合有转换电路的开关式电源来实现电流波形的控制。在一种替代方式中使用线性电源，其中通过一个线性输出级来调节输出电流。

在一种优选形式中，为了控制和调节焊接周期中电极的推进速度，在焊接过程中采用一种改进的电极(或焊丝)进给单元。在一个特别优选的形式中，焊丝进给单元可以导致电极反转。这再次提供了更多的机会以更好地控制焊接过程，以在高沉积速度下得到良好的焊接质量。

类似于对电源的要求，焊丝进给单元对改变其进给速度的指令的响应时间必须足够快，从而可以使其用于焊接过程。试验已经表明如果使0.9mm直径电极从40米/分钟停止下来所需时间为大约2.1ms时，该过程操作良好，而使同样的电极从40米/分钟逆向加速到反方向的40米/分钟所需时间为大约3.8ms。

在一种形式中，使用一种控制器来同位控制电极的推进速度和瞬时熔化速度。在一种优选的形式中，该控制器监测焊接周期以监控焊接周期中所发生的各种事件的时间，从而调节与之响应的推进速度和熔化速度。

在一种优选形式中，在焊接周期中限定电极的瞬时熔化速度和推进速度的变量被输入到控制器中。这些变量中的每一个都被定位到焊接周期中的特定阶段，以使控制器能够在焊接周期中调整这些参数。

在一种形式中，控制器以规定的间隔(如40毫秒)对焊接过程中的情况取样，并且记录反馈电压以实时确定焊接周期中预定事件的发生，从而使控制器确定焊接周期的目前阶段。采用从反馈电压和输入变量获得的信息，控制器引导加工步骤，以确定是否需要改变电极的推进速度或瞬时熔化速度，并随后发出更新的参考信号。该更新的参考信号可以维持原有状态(status quo)，或者视需要改变参数。在一种方式中，推进速度由焊丝进给单元决定，因此采用更新的参考信号来控制该单元。类似地，当电极的瞬时熔化速度由电源产生的电流波形控制时，该参考信号用于确定所述电流波形的适当水平。

同时控制电极的推进速度和瞬时熔化速度可以明显增加焊接过程中的沉积速度。具体而言，通过在液滴生长期间提高焊丝进给速度和电流强度，可以使熔融液滴的生长更快和更好控制，并且通过这些参数的同时降低可以更好地控制液滴到工件的传递。

在一种特别优选的形式中，本发明可以明显增加以短路传递模式操作的焊接过程的沉积速度。在该模式中，焊接周期包括一个电弧阶段，其中电极与工件隔开，并且在该间隔上产生电弧，和一个短路阶段，其中电极与工件接触。焊接周期从电弧阶段转变为短路阶段以使熔融液滴与工件接触，并且在电极和工件之间形成的熔融材料桥断裂之后从短路阶段转变为电弧阶段。

对于二氧化碳保护的焊接过程来说，能够在短路传递模式中大大增加沉积速度具有显著的优点，其中需要以这种模式操作以提供令人满意的焊接质量。采用本发明的技术，发明人已经发现对于以短路传递模式操作的二氧化碳方法，与传统方法相比沉积速度可以提高至少两倍，而且不会过度影响焊接质量。

在一种以短路传递模式操作的传统二氧化碳方法中，液滴生长的直径通常小于电极直径的1.5倍，并且通常小于电极直径。增加焊丝进给速度和电流水平以试图增加沉积速度会导致二氧化碳方法转变为熔滴模式，这是一种开弧方法。该方法的观察结果表明直径远大于电极直径的大液滴在电极顶端形成。尽管在二氧化碳方法中可以采用熔滴传递模式沉积焊缝，但是得到的焊缝外观较差，电弧稳定性也较差，并且溅射非常高。电弧力趋向于向上推动液滴并离开焊池，导致所谓的“推动熔滴传递”。大液滴在低频(小于10Hz)下由于重力而分离。

本发明人已经发现通过控制电极的推进速度和电极的瞬时熔化速度，可以在电极上将液滴迅速生长为明显大于电极直径的尺寸，但仍然使焊接过程以短路模式操作，同时避免了液滴排斥和产生过多的溅射。以这种方式，短路传递模式的操作范围延伸并且覆盖了更高范围的沉积速度，正常情况下更高范围的沉积速度与熔滴或脉冲喷射传递模式的使用有关，但是不会导致在二氧化碳方法中这些模式的相关缺点。

电极上生长的液滴尺寸可以有很大变化，但是对于0.9mm直径的焊丝，优选液滴直径的量级为1.4mm-2.5mm。在任意给定时间内生长的液滴的尺寸受到限制，因为在产生液滴并且从电极喷射出来的电弧脉冲电流Ip和脉冲时间Tp之间存在一定关系。由于在二氧化碳方法的短路传递中避免了自由飞行传递，因此重要的是焊接过程的条件(尤其是脉冲电流和脉冲时间)要设定为在电弧阶段中不会发生液滴分离。

本发明人已经发现电弧脉冲电流Ip和脉冲时间Tp之间的关系受电极预热中的变化的影响。因此，除了控制电极的推进速度和瞬时熔化速度外，该方法还可以调节其它因素如影响电极预热的那些因素。

焊接过程中对电极预热具有直接影响的一个参数是接触端到工件的距离(CTWD)。

本发明人已经发现采用高CTWD可以进一步明显增加沉积速度，同时保持良好的焊接质量。高CTWD的一个优点是它产生电极阻抗预热，因为在进入焊接电弧区之前有额外的时间使电极材料暴露于电流中。由于电极预热的改变，电极可以经受更高的熔融速率，而不会有液滴分离。此外，CTWD的增加有效地降低了在给定时间内产生给定液滴所需的电流量，并同时降低作用于焊池的电弧力。

在传统的二氧化碳焊接中，CTWD量级为10mm-20mm。采用本发明的方法，CTWD的优选量级为10mm-50mm。

随着更迅速地生长更大的液滴使沉积速度增加，希望在焊接领域中提高焊接移动速度而不是以低移动速度产生更大的焊缝。如果在高移动速度下液滴的传递速度太低，那么焊缝将变得“块状”或甚至不连续。因此，在一种优选形式中，液滴传递速度大于30Hz，并且更优选大于45Hz。

在一种优选形式中，在电弧阶段瞬时，熔化速度和推进速度均高于传统的二氧化碳方法，以迅速生长液滴并且尺寸大于电极直径。因此改变该方法的参数以确保最初通过增加推进速度以迫使液滴进入工件而产生一个短路，并且进一步通过随后降低电极的推进速度而使该短路断裂。

在一个特别优选的形式中，在短路阶段中将电极反转以防止电极端进入焊池导致的短路残余。当在不断增加的高速下使用焊丝进给速度恒定的系统时，断开短路会变得相当困难(甚至是不可能的)。需要相当大的短路电流，因为在短路持续期间熔融桥的长度发生变化。例如，在4毫秒短路期间，在18米/分钟时桥的长度将降低1.2mm。通过在短路期间降低或反转电极进料，避免了短路残余的机理。此外，电极的反转确保了短路可以用较低的电流来中断，低于焊丝进给速度恒定的系统所需的电流。

在另一种形式中，本发明涉及一种使用保护气并且以短路传递模式操作的控制电弧焊接系统的方法，该焊接系统包括电源和可消耗的电极，在使用时电极可操作地推进与工件接触，焊接系统可操作地产生一个焊接电路，该电路由电源激活，并且焊接周期包括一个电弧阶段，其中电极与工件隔开并且在间隔上产生电弧，电弧可操作地在电极末端形成熔融液滴，和一个短路阶段，其中电极与工件接触，熔融液滴与工件接触时焊接周期从电弧阶段转变为短路阶段，随后在电极和工件之间形成的熔融材料桥断裂后从短路阶段转变为电弧阶段，该方法包括如下步骤：

(i)调节焊接系统以在电弧阶段期间在电极末端形成熔融液滴，其直径大于电极直径；和

(ii)在熔融液滴接触工件之后使液滴从电极分离，从而确保焊接周期中出现短路和电弧阶段。

在本发明的一个优选实施方案中，在电弧阶段期间在电极末端形成的熔融液滴的直径可以是电极直径的1.1-2.3倍。

在本发明的另一个优选实施方案中，电弧阶段的持续时间为5毫秒-50毫秒，短路阶段的持续时间为2.5毫秒-10毫秒。

本发明的上述另一种形式理想地适用于与本发明的第一种形式结合，以将焊接过程的参数调节到焊接系统的适当条件。

优选电弧阶段中电极向工件的平均推进速度大于短路阶段。此外，优选控制焊接电流以使电弧阶段中的平均电流强度大于短路阶段。同时控制这些参数使得在电弧阶段中液滴迅速生长到所需的尺寸。

优选该方法包括控制焊接周期中的电流以使液滴接触工件，从而导致在较低电流下的短路，进而使接触点上的排斥力所导致的溅射最小化。

在另一种优选形式中，在短路阶段期间电极向工件的推进速度大大降低，以确保短路的成功终止。在一个特别优选的形式中，在短路阶段期间电极进料被反转。

在另一种优选形式中，在短路阶段期间施加电流脉冲以降低熔融金属从液滴到工件传递所需的时间。优选在焊接系统中控制短路电流脉冲以使在完成短路阶段之前出现脉冲终止。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电弧焊接系统，包括电源、控制单元和用于在焊接过程中将可消耗的电极推向工件的装置，所述可消耗的电极由所述电源激活以使所述电极向所述工件供应熔融材料，其中所述用于推进的装置由所述控制单元控制以动态调节所述电极响应于所述焊接过程中发生的预定事件的推进速度。

附图说明

在下文中通过参照附图可以方便地描述本发明的实施方案。应该理解附图的描述以及相关说明并不限制本发明的广义内涵。

在附图中：

图1是一种焊接系统的框图；

图2是用于图1系统中的反转焊丝进给单元的详细示意图；

图3是用于图1焊接系统的控制器的一种典型的用户界面屏幕；

图4是用于图1焊接系统的电流、焊丝进给速度和焊接电压的典型波形；

图5是使用图1系统的焊缝(0.9mm焊丝)的照片；

图6是在二氧化碳方法中对于0.9mm电极的Ip-Tp关系；和

图7是在二氧化碳方法中对于1.2mm电极的Ip-Tp关系。

具体实施方式

首先见图1，描述了一种焊接系统10，包括控制单元11，与焊枪13连接的焊接电源12。在可逆的焊丝进给单元15的操作下将可消耗的金属电极14进料到焊枪13中。可消耗的电极由电源12激活，使得电极熔化，从而向工件16供应熔融的金属。

该焊接系统还包括连接在工件15和电源12之间的反馈单元17。反馈单元17对控制单元11提供电压和电流反馈。该系统还包括信号参照单元18和反馈分离单元19，从而提供了焊接系统的完整性。控制单元11可以通过信号参照单元18为电源12和焊丝进给单元15提供参照信号以控制这些单元的功能，在下文中将会更详细地描述。

图2详细地描述了反转焊丝进给单元15。该单元15包括位置靠近接触端(即电极的外端)并且由驱动马达21驱动的焊丝进料辊20，驱动马达位于进料辊20的轴线附近。驱动马达是市售的低惯性永磁体AC伺服马达，它反过来由基于微处理器的变速驱动器22控制。Baldor伺服马达BSM63A-375AA和匹配驱动单元FD2A07TR-RN20是合适的设备例子。焊丝进料辊和接触端之间的距离需要最小化以避免发生焊丝“弹跳(springing)”效应，并且确保在电极端的任何移动对应于进料辊上的受控运动。将0.9mm直径焊丝从全速(40米/分钟)到停止所需的时间为大约2.1ms，而将焊丝从40米/分钟反向加速到40米/分钟所需的时间为大约3.8ms。

电源12包括一个开关型转换器电路，以在电弧阶段期间高效提供所需的焊接电流，和一个独立的并联线性输出级，以在短路阶段期间以高响应速度提供电流。使用线性输出级确保了电流可以通过短路输出而迅速降低，这是采用传统的开关型转换器电路而不使用二级开关晶体管所不能实现的功能，例如见Nakanishi等的美国专利4,544,826。加入二级开关晶体管在电弧阶段期间产生了额外的电导损失。尽管线性输出级比开关型转换器电路效率更低，但是它仅在短路阶段期间操作，短路阶段通常占整个焊接周期的25％以下。此外，在比电弧阶段期间产生的电压更低的电压下需要供给电流，所以可以使设备额定值和电损耗最小化。

控制单元11包括与数字信号处理器(DSP)连接的计算机。DSP用于控制给电源12的电流参照信号，以及给焊丝进给单元15的焊丝进料参照信号。DSP还实时监测电压和电流反馈。DSP被装在标准的桌面个人计算机中，DSP卡具有单板模拟和数字输入及输出点，以连接外部设备。这种卡的操作与PC操作系统无关，从而实现焊接过程的不间断实时控制。控制DSP是通过特别用于焊接领域的定制开发软件。控制单元11不需要包括具有兼容DSP的计算机，在DSP中计算机的所有功能都可以采用微处理器或电子硬件系统实现。

在操作时，DSP被设计为每40毫秒对情况进行取样。在取样期间，电子电路中断了DSP程序。DSP随后记录反馈电压(如果需要还有电流)，进行处理步骤和对电源发出更新的电流参照信号以及更新的焊丝进料参照信号。该电流参照信号控制由电源输出的电流水平，反过来又决定电极14在其接触端23的瞬时熔化速度。控制单元11还为焊丝进给单元15的变速驱动器22提供焊丝进料参照信号，反过来又控制AC伺服马达以控制电极向工件16的推进速度。

通过图3中所示的用户界面屏幕24将各种变量输入到控制单元11中，这些变量25建立了所希望的电流水平和焊丝进给速度以及焊接过程中的其它参数，在下文中参考图4更详细地讨论。

该控制方法随着电压反馈产生的信号控制电流波形以控制电极的瞬时熔化速度以及响应于焊接过程中的事件的瞬时焊丝进给速度。用于电流和焊丝进给速度以及焊接电压的典型参照波形如图4所示。电压波形的形状是在测试期间观察到的典型情况。该图描述了焊接过程中一个完整的金属传递周期。主要参数的说明(如“larc-max”)包括在该图中，在下文的描述中将要使用。

该过程被认为是以若干明显的阶段进行的，当液滴形成连接电极端和焊池的桥时，阶段2、3和4构成了短路期。当液滴在电极端形成，并且电弧对加热工件作出贡献时，阶段5、6和1构成了电弧期。短路期通常持续2.5-6毫秒，而电弧期通常持续5-50毫秒。短路频率的典型范围是20-100Hz。

阶段6具有最长的持续时间，并且对工件贡献最大量的热输入。焊丝以标定的速度进给到过程中，选择电流以平衡进给速度和熔化速度，以至于当在电极末端形成液滴时，电弧长度缓慢降低，但是足以避免突发的短路。在电流恒定时电弧长度的变化反映在电压波形上。对于0.9mm电极，进给速度20m/min(790英寸/分钟)和CTWD(接触端到工件距离)为12mm，平衡电流大约为325A。该电流保持适当的时间，并大致确定了液滴尺寸和短路频率。对于控制的目的，该过程则被认为是输入阶段1，尽管该过程继续产生电弧。

在阶段1中，电流迅速降低到(larc_ramp₂)背景水平(I_backgr，即25A)，并且焊丝进给速度增加到较高的水平(注意WF_min不是必须小于WFR_max或WFR_med；WFR_min的命名与larc_min一致)。这些步骤旨在促进开始下一次短路。电弧力的下降也消除了焊池低压，它应该有助于减少该阶段的持续时间。希望将该阶段的持续时间最小化，因为在背景电流下对热输入的贡献非常小。还希望在低电流下产生短路，以使球排斥溅射(ball repulsion spatter)最小化。在300A的定期短路将会产生不可接受的高度溅射。电流larc_min小于125A，并且通常约为80A。与阶段6不同，并不直接控制阶段1的持续时间，尽管它受larc_min、larc_ramp2、电弧长度和WFRmin影响。阶段1的持续时间取决于过程的性质，因此该控制方法内在地适用于该过程。当检测到短路时(如图3中电压降到Vsc以下)，开始阶段2。对于固定的持续时间T_润湿(通常0.5ms)，电流保持在背景水平(大约20安培)以促进润湿的液滴进入焊池并且避免排斥。在该阶段开始时，反转焊丝进料。如前所述，该机制需要2ms来停止电极，因此采取该行动没有使短路破坏的机会。

在阶段3，对于特定时间Tsc_脉冲，允许将电流增加到Isc_max值，产生将熔融的金属从液滴泵入焊池的电磁收缩力。同时，电极端停止前进，并随后开始反转离开焊池。这对于在高焊丝进给速度下避免残余而言是相当重要的。短路期间电流脉冲的目的是与不施加电流时所需的时间相比，略微降低金属传递的持续时间，并且在表面张力的影响下传递将会单独发生。规定脉冲的持续时间以使电流脉冲在阶段4中的短路断开之前就被除去。以这种方式，在电流降低的情况下发生短路的断开，以使溅射和焊池扰动最小化。Tsc_脉冲的值可以通过控制器、基于在先前焊接周期中的工艺行为自动地改变，从而在阶段3中不会发生短路的断开。如前所述，设计电源以使在适当少的时间内(通常小于350微秒，并且优选小于100微秒)电流可以迅速断开为短路。

在阶段4中，将电流降低到背景水平并且在低电流下发生短路断开。焊丝的反转运动保证了该行为。反转的另一个优点是与焊丝速度恒定的系统所需的数值相比，可以使用较低的最大短路电流(Isc_max)，从而确保发生及时的断开。另一个优点是由于在阶段4中短路电流已经足够低，避免了溅射和焊池扰动，所以短路断开的启动不需要进行预测(如美国专利4,546,234和4,954,691所述)。此外阶段4还可以从该控制方法中去除，并且阶段3的持续时间延长，直到短路断开(如美国专利6,512,200所述)。当电压反馈超过Varc时，短路颈断开并开始产生电弧。对于阶段1，阶段4的的确切持续时间由该过程决定，尽管控制参数确实影响这些时间的平均值。

阶段5的控制参数产生电弧期的初始条件，电极被停止，并且电流可以提高到高于阶段6的标定电弧电流(larc_med)的水平(larc_max)。这就建立了初始电弧长度，它必须足够长以避免由于焊池的摆动而导致太早的短路。保持电极固定同时延长电弧长度的能力意味着阶段5电流不需要比标定电弧电流大许多。这避免了过分的焊池低压，扰动，溅射和可能的电弧过度削割工件，对于采用恒定焊丝进给速度的系统而言会发生这种情况。注意电极保持时间T_驻留可以小于Tarc_max，并且还可以视需要延长到阶段6中。阶段5中的焊丝进给速度可以高于阶段6中的数值。在某些情况下，希望促进在高电流下非常迅速的液滴生长，同时保持恒定的电弧长度，因为当液滴较小时，它从电极的分离机会很少。如果高电流不会导致熔融金属从焊池喷射出去，那么可以提高平均熔化速度(因此提高沉积速度)。

实施例

使用0.9mm和1.2mm直径的钢电极进行了一系列实验。逐渐调节焊接参数以在特定CTWD值时产生最高的沉积速度，同时保持低溅射、高稳定性和良好的焊缝外观。结果汇总如下：

表1最大沉积速度汇总

焊丝类型AWS A5.18	CTWDmm	平均焊丝进给速度m/min[in/min]	沉积速度kg/hr[lb/hr]	平均电流安培
焊丝类型AWS A5.18	CTWDmm	平均焊丝进给速度m/min[in/min]	沉积速度kg/hr[lb/hr]	平均电流安培	0.9mmER70S-6	12	17.5[690]	5.2[11.1]	250
0.9mmER70S-6	35	21.0[830]	6.3[13.4]	180	0.9mmER70S-6	12	17.5[690]	5.2[11.1]	250
0.9mmER70S-6	35	21.0[830]	6.3[13.4]	180	1.2mmER70S-4	16	10.0[395]	5.3[11.3]	290
1.2mmER70S-4	35	13.5[530]	7.1[15.1]	245	1.2mmER70S-4	16	10.0[395]	5.3[11.3]	290

对于选定的焊接，在四类和附加类中的焊接参数和焊接统计数据列于如下实施例1-6。进行实验的目的是使用所述设备建立如上所述的控制方法的限定。应该注意的是在表1中所示的这些沉积速度下进行焊接是采用一致可重复的条件实现的，并且不是在性能封皮(performance envelope)的边缘。例如，1.2mm ER70S-4电极，CTWD为35mm，以16.0m/min操作(参照实施例4)。但是，在此沉积速度下溅射程度被认为是相当高(目测估计)，尽管焊缝质量与13.5m/min时相比没有明显劣化。还应该注意的是对于沉积速度低于表1中所列的那些时，寻找产生优异的焊接高稳定性和低溅射的参数设定是一项非常容易的工作。随着接近该过程的极限值，参数逐渐变得难以选择。

在分析实施例1-6中提供的焊接统计数据后，采用如下方程可以确定焊接期间在电极上形成的平均液滴尺寸：

d_{drop} \approx \sqrt[3]{1.5 d_{e}^{2} \frac{WF R_{avg}}{f_{sc}}}

其中：d_drop是近似液滴直径(毫米)；

d_e是电极直径(毫米)；

WFR_avg是平均焊丝进给速度(毫米/秒)；

f_sc是每秒的平均短路频率。

实施例中的所有焊接都具有明显大于电极直径的直径。具体而言，实施例中的平均液滴尺寸的范围是电极直径的1.43-2.45倍。迅速产生液滴生长，短路时间频率(dippingtime frequencies)的范围是33Hz-96Hz。此外，控制焊接过程的参数以使不会发生偶尔的液滴分离，下文中将会更详细地公开。

实施例1

选定焊接的统计数据和参数设定

0.9mm AWS A5.18 ER70S-6电极，12mm CTWD，CO₂保护

表A3-1：焊接统计数据

项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)
项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)	W1115	17.1	48	0.84	194	235	27.4	390	911	3.83
W1120	18.7	42	0.75	264	286	25.6	390	1127	4.52	W1115	17.1	48	0.84	194	235	27.4	390	911	3.83
W1120	18.7	42	0.75	264	286	25.6	390	1127	4.52	W1130	17.2	62	0.84	246	272	25.4	390	1106	2.92
W1300	17.4	54	0.87	233	264	27.7	390	1146	2.99	W1130	17.2	62	0.84	246	272	25.4	390	1106	2.92

表A3-2：焊接参数1

项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rew(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)
项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rew(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)	W1115	25	25	35	20	3.0	350	1.5	150	350
W1120	30	30	40	20	2.0	350	10.0	50	250	W1115	25	25	35	20	3.0	350	1.5	150	350
W1120	30	30	40	20	2.0	350	10.0	50	250	W1130	35	35	20	30	1.0	350	7.0	100	250
W1300	35	35	20	35	1.5	375	5.0	100	275	W1130	35	35	20	30	1.0	350	7.0	100	250

表A3-3：焊接参数2

项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)
项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)	W1115	5.0	150	80	20	0.5	350	150	8.0	18.0
W1120	5.0	50	80	20	0.5	350	150	8.0	18.0	W1115	5.0	150	80	20	0.5	350	150	8.0	18.0
W1120	5.0	50	80	20	0.5	350	150	8.0	18.0	W1130	2.0	100	125	20	0.5	350	150	8.0	18.0
W1300	5.0	100	80	20	0.5	350	150	8.0	18.0	W1130	2.0	100	125	20	0.5	350	150	8.0	18.0

表A3-4：评论

项目/焊接	意见
项目/焊接	意见	W1115	低溅射，尤其是对平均焊丝进给速度
W1120	溅射高于W1115，350A/10ms似乎是不会导致电弧期间液滴的脉冲分离的极限值	W1115	低溅射，尤其是对平均焊丝进给速度
W1120	溅射高于W1115，350A/10ms似乎是不会导致电弧期间液滴的脉冲分离的极限值	W1130	由于较高的反转焊丝进给速度，产生良好的焊缝，较低的溅射和s/c时间
W1300	良好的焊缝，低到中等的溅射。提高WFR-max导致残余和高溅射	W1130	由于较高的反转焊丝进给速度，产生良好的焊缝，较低的溅射和s/c时间

实施例2

选定焊接的统计数据和参数设定：

0.9mm AWS A5.18 ER70S-6电极，35mm CTWD，CO₂保护

表A4-1：焊接统计数据

项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)
项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)	W1200	18.6	43	0.80	171	184	30.4	390	844	4.37
W1205	19.7	50	0.87	175	190	29.2	390	845	4.26	W1200	18.6	43	0.80	171	184	30.4	390	844	4.37
W1205	19.7	50	0.87	175	190	29.2	390	845	4.26	W1210	21.0	48	0.86	181	195	30.3	390	905	4.41
W1215	19.9	46	0.94	178	190	30.6	390	889	4.43	W1210	21.0	48	0.86	181	195	30.3	390	905	4.41

表A3-3：焊接参数

项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rew(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)
项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rew(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)	W1200	30	30	40	30	1.5	250	4.0	100	175
W1205	35	35	40	30	1.5	240	4.0	100	210	W1200	30	30	40	30	1.5	250	4.0	100	175
W1205	35	35	40	30	1.5	240	4.0	100	210	W1210	40	40	40	35	1.5	240	4.0	100	210
W1215	35	35	40	30	1.5	250	4.0	100	175	W1210	40	40	40	35	1.5	240	4.0	100	210

表A4 3：焊接参数2

项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_backgr(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)
项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_backgr(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)	W1200	10.0	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0
W1205	6.0	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0	W1200	10.0	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0
W1205	6.0	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0	W1210	7.5	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0
W1215	10.0	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0	W1210	7.5	100	80	20	0.5	250	150	8.0	18.0

表A4-4：评论

项目/焊接	意见
项目/焊接	意见	W1200	良好的运行状况，低溅射焊接，电弧时间分布轻微双模态。
W1205	非常低的溅射焊接，非常好的状况	W1200	良好的运行状况，低溅射焊接，电弧时间分布轻微双模态。
W1205	非常低的溅射焊接，非常好的状况	W1210	非常低的溅射焊接，非常好的状况
W1215	优异的状况。低溅射焊接。	W1210	非常低的溅射焊接，非常好的状况

实施例3

选定焊接的统计数据和参数设定：

1.2mm AWS A5.18 ER70S-4电极，16mm CTWD，CO₂保护

表A5-1：焊接统计数据

项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)
项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)	W8050	8.1	48	0.84	253	279	24.8	390	1103	3.65
W9065	9.8	42	0.80	290	323	23.6	390	1228	5.40	W8050	8.1	48	0.84	253	279	24.8	390	1103	3.65
W9065	9.8	42	0.80	290	323	23.6	390	1228	5.40	W9070	10.0	45	0.81	290	326	23.1	390	1229	5.45
W9075	10.0	36	0.83	281	328	25.1	390	1276	5.25	W9070	10.0	45	0.81	290	326	23.1	390	1229	5.45
W9075	10.0	36	0.83	281	328	25.1	390	1276	5.25	W9085	10.2	39	0.77	285	346	24.3	390	1293	5.01

表A5-2：焊接参数1

项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rev(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)
项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rev(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)	W9050	18	14	20	30	1.0	375	4.0	100	335
W9065	20	22	36	32	1.0	425	4.0	100	425	W9050	18	14	20	30	1.0	375	4.0	100	335
W9065	20	22	36	32	1.0	425	4.0	100	425	W9070	22	25	28	33	1.0	450	4.0	100	450
W9075	24	26	20	35	1.0	490	4.0	100	490	W9070	22	25	28	33	1.0	450	4.0	100	450
W9075	24	26	20	35	1.0	490	4.0	100	490	W9085	24	25	20	35	1.0	490	4.0	100	490

表A5-3：焊接参数2

项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)
项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)	W9050	7.0	100	125	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9065	7.0	100	125	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9050	7.0	100	125	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9065	7.0	100	125	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9070	5.0	100	125	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9075	5.0	100	125	20	0.8	300	100	5.0	15.0	W9070	5.0	100	125	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9075	5.0	100	125	20	0.8	300	100	5.0	15.0	W9085	7.0	100	40	20	0.8	300	100	5.0	15.0

表A5-4：评论

项目/焊接	意见
项目/焊接	意见	W9050	低到中等的溅射
W9065	中等溅射，良好的稳定性和焊缝形状。	W9050	低到中等的溅射
W9065	中等溅射，良好的稳定性和焊缝形状。	W9070	中等溅射，良好的稳定性和焊缝形状。溅射略低于w9065
W9075	低到中等的溅射，浸渍频率稍低。电弧期间无液滴分离的证据，良好的焊缝，无边缘闪光(edge flash)	W9070	中等溅射，良好的稳定性和焊缝形状。溅射略低于w9065
W9075	低到中等的溅射，浸渍频率稍低。电弧期间无液滴分离的证据，良好的焊缝，无边缘闪光(edge flash)	W9085	低到低/中等的溅射，通过降低Iarc-min以及通过降低，Tarc-med到灵敏值

实施例4

选定焊接的统计数据和参数设定：

1.2mm AWS A5.18 ER70S-4电极，35mm CTWD，CO₂保护

表A6-1：焊接统计数据

项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)
项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)	W9450	11.6	33	0.92	214	247	28.3	390	1085	5.53
W9460	13.2	40	0.92	240	269	27.6	390	1184	5.33	W9450	11.6	33	0.92	214	247	28.3	390	1085	5.53
W9460	13.2	40	0.92	240	269	27.6	390	1184	5.33	W9465	13.6	41	0.90	243	272	27.9	390	1220	5.38
W9475	13.7	42	0.91	255	275	29.3	390	1306	4.50	W9465	13.6	41	0.90	243	272	27.9	390	1220	5.38
W9475	13.7	42	0.91	255	275	29.3	390	1306	4.50	W9485	14.7	43	0.86	264	287	28.3	390	1321	5.20
W9495	16.0	39	0.87	265	292	27.9	390	1336	6.43	W9485	14.7	43	0.86	264	287	28.3	390	1321	5.20

表A6-2：焊接参数1

项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rev(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)
项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rev(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)	W9450	18	16	25	30	1.0	375	4.0	100	350
W9460	24	22	30	30	1.0	375	4._	100	350	W9450	18	16	25	30	1.0	375	4.0	100	350
W9460	24	22	30	30	1.0	375	4._	100	350	W9465	26	25	30	30	1.0	375	4.0	100	350
W9475	26	23	30	30	1.0	375	4.0	100	300	W9465	26	25	30	30	1.0	375	4.0	100	350
W9475	26	23	30	30	1.0	375	4.0	100	300	W9485	28	25	34	30	1.0	400	4.0	100	350
W9495	31	30	40	35	1.0	450	4.0	100	350	W9485	28	25	34	30	1.0	400	4.0	100	350

表A6-3：焊接参数2

项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)
项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)	W9450	7.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9460	7.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9450	7.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9460	7.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9465	7.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9475	11.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9465	7.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9475	11.0	100	100	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9485	7.0	100	150	20	0.8	250	100	5.0	15.0
W9495	5.0	100	150	20	0.8	250	100	5.0	15.0	W9485	7.0	100	150	20	0.8	250	100	5.0	15.0

表A6-4：评论

项目/焊接	意见
项目/焊接	意见	W9450	低溅射焊接，运行非常好，对于1.2mm焊丝极低的溅射，良好的焊缝，低浸渍频率
W9460	低溅射，不和w9450一样低，但是沉积速度和浸渍频率较高，良好的焊缝形状	W9450	低溅射焊接，运行非常好，对于1.2mm焊丝极低的溅射，良好的焊缝，低浸渍频率
W9460	低溅射，不和w9450一样低，但是沉积速度和浸渍频率较高，良好的焊缝形状	W9465	参见w9460
W9475	低到中等的溅射，良好的平焊缝，无分离	W9465	参见w9460
W9475	低到中等的溅射，良好的平焊缝，无分离	W9485	低到中等的溅射，发展自w9465。不是很稳定，但是沉积速度较高。由于较高的Iarc-min导致更多溅射(平稳，无爆发)，良好的焊接状况。
W9495	低到中等的溅射，有较高溅射的爆发(偶尔分离)	W9485

实施例5

选定焊接的统计数据和参数设定：

0.9mm AWS A5.18 ER70S-6电极，15mm CTWD，CO₂保护

表A7-1：焊接统计数据

项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)
项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)	W0157	11.8	83	0.82	186	197	17.5	1500	146	5.65
W0171	13.1	77	0.89	191	205	17.7	1500	155	5.83	W0157	11.8	83	0.82	186	197	17.5	1500	146	5.65
W0171	13.1	77	0.89	191	205	17.7	1500	155	5.83	W0174	14.5	79	0.81	195	209	19.4	1500	173	5.14
W0177	12.0	88	0.79	194	204	17.8	1500	156	5.22	W0174	14.5	79	0.81	195	209	19.4	1500	173	5.14

表A7-2：焊接参数1

项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rev(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_mad(Amps)
项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rev(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_mad(Amps)	W0157	38	38	38	20	0.25	250	4.0	100	85
W0171	38	38	38	20	0.25	275	4.0	100	85	W0157	38	38	38	20	0.25	250	4.0	100	85
W0171	38	38	38	20	0.25	275	4.0	100	85	W0174	38	38	38	20	0.25	275	4.5	100	85
W0177	38	38	38	20	0.25	250	4.5	100	85	W0174	38	38	38	20	0.25	275	4.5	100	85

表A7-3：焊接参数2

项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)
项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Isc_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)	W0157	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0
W0171	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0	W0157	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0
W0171	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0	W0174	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0
W0177	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0	W0174	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0

表A7-4：评论

项目/焊接	意见
项目/焊接	意见	W0157	低溅射，非常好的状况
W0171	低溅射，非常好的状况	W0157	低溅射，非常好的状况
W0171	低溅射，非常好的状况	W0174	低溅射，非常好的状况
W0177	低溅射，非常好的状况	W0174	低溅射，非常好的状况

实施例6

选定焊接的统计数据和参数设定：

0.9mm AWS A5.18 ER70S-6电极，15mm CTWD，Ar-23％CO₂保护

表A8-1：焊接统计数据

项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)
项目/焊接	平均焊丝进给速度(m/min)	短路频率(Hz)	稳定性指数	平均电流(Amps)	RMS电流(Amps)	平均电压(Volts)	移动速度(mm/min)	热输入(J/mm)	平均短路时间(ms)	W0527	10.2	96	0.65	163	183	16.1	1500	123	3.7
W0531	9.1	83	0.71	161	175	16.4	1500	123	4.75	W0527	10.2	96	0.65	163	183	16.1	1500	123	3.7
W0531	9.1	83	0.71	161	175	16.4	1500	123	4.75	W0534	10.2	88	0.74	172	206	16.5	1500	134	4.4
W0537	9.3	81	0.72	165	178	15.4	1500	121	5.38	W0534	10.2	88	0.74	172	206	16.5	1500	134	4.4

表A8-2：焊接参数1

项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rew(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)
项目/焊接	WFR_max(m/min)	WFR_med(m/min)	WFR_min(m/min)	WFR_rew(m/min)	T_驻留(ms)	Iarc_max(Amps)	Tarc_max(ms)	Iarc_ramp1(Amps/ms)	Iarc_med(Amps)	W0527	28	28	28	20	0.25	250	4.0	100	80
W0531	28	28	28	20	0.25	250	4.0	100	80	W0527	28	28	28	20	0.25	250	4.0	100	80
W0531	28	28	28	20	0.25	250	4.0	100	80	W0534	30	30	30	20	0.25	250	4.0	100	80
W0537	32	32	32	20	0.25	250	4.0	100	80	W0534	30	30	30	20	0.25	250	4.0	100	80

表A8-3：焊接参数3

项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Iac_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)
项目/焊接	Tarc_med(ms)	Iarc_ramp2(Amps/ms)	Iarc_min(Amps)	I_背景(Amps)	T_润湿(ms)	Iac_max(Amps)	Isc_ramp(Amps/ms)	V_sc(Volts)	V_arc(Volts)	W0527	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0
W0531	7.5	100	80	20	0.75	150	200	12.0	18.0	W0527	7.5	100	80	20	0.75	200	200	12.0	18.0
W0531	7.5	100	80	20	0.75	150	200	12.0	18.0	W0534	7.5	100	80	20	0.75	150	200	12.0	18.0
W0537	7.5	100	80	20	0.75	150	200	12.0	18.0	W0534	7.5	100	80	20	0.75	150	200	12.0	18.0

表A8-4：评论

项目/焊接	意见
项目/焊接	意见	W0527	低到中等的溅射
W0531	低到中等的溅射	W0527	低到中等的溅射
W0531	低到中等的溅射	W0534	低到中等的溅射
W0537	低到中等的溅射	W0534	低到中等的溅射

图5是采用0.9mm焊丝产生的焊缝(26，27)的照片。上面的焊缝26是采用W1300参数设定值产生的，而下面的焊缝27采用的是W1215参数设定值。

用1.2mm电极，采用短路传递模式达到的沉积速度与采用脉冲喷射传递模式的文献中描述的速度类似。短路传递模式的主要优点是减少了溅射和改进了电弧稳定性，结果改进了“人机工效”。对于每种焊接的稳定性指数采用如下关系式评价：

稳定性指数＝1-(焊接周期持续时间的标准偏差/焊接周期持续时间的平均值)

对于被认为是合适的CO₂保护的所有焊接，其稳定性指数大于0.80。大部分焊接达到的稳定性指数介于0.80-0.90。特别稳定的焊接达到最高0.94，但是这些结果是在表1所列的焊丝进给速度的90％以下操作时得到的，更可能是在高CTWD下得到的。

采用常规设备的短路传递模式可以最高在大约9m/min下进行，以得到合理的焊接质量。超过它时，溅射增加并且稳定性迅速下降。上表中的结果指出沉积速度加倍，同时保持工艺质量。

大部分焊接的频率范围在35-96Hz。这些短路浸渍频率低于通过常规短路工艺得到的数值(80-200Hz)。较低的频率是工艺中的限制及其控制的结果，第一个限制是焊丝进给系统的动态响应。需要确定的时间来改变电极的速度，于是设定一个速度上限，在该值时通过电极速度反转熔融液滴可以通过表面张力传递到焊池。如果在短路传递时间内没有发生反转，那么焊丝就趋向于残留在焊池中，并且失去稳定性。该第一个限制是技术性的，而非基本原理。但是第二个限制对于工艺本身是基础性的。关于基于氩气的保护气，在电弧脉冲电流Ip和脉冲时间tp之间存在一定的关系，将会产生液滴并且从电极喷射出去。尽管在基于氩气的气体中脉冲喷射传递模式具有期望的性质，但是它对于在二氧化碳中的短路传递模式不适合，因为希望避免自由飞行传递。图6表明对于0.9mmER70S-6电极，CTWD为12mm的这种关系的实验确定值。预计该关系受到电极预热变化的影响。图6中所示的关系近似为：

I²t≈2116(A²s)

图6中的数据点通过如下方式确定：在电弧期间以大的电流脉冲宽度操作该过程，并且通过记录的瞬间电压波形观察液滴分离。图中的数据点表明当以这种方式操作该过程时，分离时间有非常大的变化。

图7表示1.2mm ER70S-4电极，CTWD为16mm的Ip/tp关系，该图中所示的关系近似为：

I²t≈2809(A²s)

由于需要避免自由飞行传递，在电弧期间施加的电流脉冲必须处于图6和7的较低的左手区域。这意味着对于液滴的最大尺寸有内在的限制，液滴可以在每个电弧期间迅速生长(较大的液滴可以通过将电流降低到100A来形成，但是这会降低熔化速度和继而的沉积速度)。当与焊丝进给机制的动态限制组合时，对于可以达到的最大平均电极熔化速度有一个限制。

值得注意的是图6和7中的“无液滴分离”区域对于二氧化碳远大于氩气混合物。这种行为对于增加短路传递模式的范围是一个主要的优点。如果二氧化碳的行为接近氩气混合物，那么在此使用的控制方法学将不会有效；因为在每个电弧期间将液滴生长得足够大以获得所需的平均熔化速度就会遇到困难。

对本方法产生附加限制的第二个因素是由于高脉冲电流所产生的电弧力。在电弧期间增加电流以提高液滴生长速度将导致熔融的材料从焊池中喷射出来。焊池的严重低压导致大的摆动和最终焊缝形状的劣化。增加CTWD有效地降低了在给定时间内产生给定液滴尺寸所需的电流量，并且同时降低了作用于焊池的电弧力，这有助于解释表1中所列的较高沉积速度。折衷方案是降低平均电流和加热工件，但是对于以高移动速度焊接薄部件而言这可能是一个优点。

在实际应用中，本发明理想地适用于自动系统。需要迅速而良好控制的电极反转要求驱动马达的位置靠近接触端。焊枪的设计应该很好地适用于自动系统，因为电极卷可以位于离焊枪一定的距离，前提是进给摩擦保持得很低。

应该理解可以对前述部分和/或实施方案进行改动和/或增加，而不背离本发明的精神或范围。

Claims

1.一种在具有多个焊接周期的焊接过程中控制电弧焊接系统的方法，其中将可消耗的电极向工件推进，所述方法包括响应于在所述焊接过程中发生的预定事件，在每个焊接周期中动态调节所述电极的推进速度和瞬时熔化速度。

2.根据权利要求1的方法，包括协调所述电极的所述熔化速度和所述推进速度。

3.根据权利要求1或2的方法，包括控制为所述可消耗的电极提供能量的电源。

4.根据权利要求3的方法，其中所述电源包括一种电流波形。

5.根据前述任何一项权利要求的方法，包括监测与所述焊接过程相关的反馈信号。

6.根据权利要求5的方法，其中所述反馈信号包括电压。

7.根据权利要求6的方法，其中所述反馈信号包括电流。

8.根据前述任何一项权利要求的方法，包括对与所述焊接过程相关的情况进行实时取样，以得到用于确定所述预定事件的信息。

9.根据权利要求8的方法，包括处理所述信息以得到第一参考信号，用来调节所述电极的所述推进速度。

10.根据权利要求8或9的方法，包括处理所述信息以得到第二参考信号，用于控制所述电极的所述熔化速度。

11.根据前述任何一项权利要求的方法，其中所述焊接过程使用保护气。

12.根据权利要求11的方法，其中所述保护气包括二氧化碳。

13.根据前述任何一项权利要求的方法，其中所述焊接系统以短路传递模式操作，其中每个焊接周期包括一个电弧阶段，在此期间所述电极与所述工件隔开并且在所述间隔上产生电弧，所述电弧可操作地在所述电极末端形成熔融液滴，和一个短路阶段，在此期间所述电极与所述工件接触，每个焊接周期从所述电弧阶段转变到所述短路阶段，使所述熔融液滴与所述工件接触，并且在所述电极和所述工件之间形成的熔融材料桥断裂之后从所述短路阶段转变为所述电弧阶段。

14.根据权利要求13的方法，包括在电弧阶段期间调节焊接系统以在电极末端形成熔融液滴，液滴直径大于电极直径，并且在熔融液滴接触工件之后使液滴从电极分离，从而确保在每个焊接周期中都产生短路和电弧阶段。

15.一种电弧焊接系统，包括电源，控制单元和在焊接过程中将可消耗的电极推向工件的装置，所述可消耗的电极由所述电源激活，以使所述电极向所述工件供应熔融材料，其中所述用于推进的装置由所述控制单元控制，以响应于所述焊接过程中发生的预定事件，动态调节所述电极的推进速度。

16.根据权利要求15的焊接系统，其中所述电源由所述控制单元控制，响应于所述预定事件，以控制所述电极的瞬时熔化速度。

17.根据权利要求16的焊接系统，其中使用所述控制单元来协调所述电极的所述熔化速度和所述推进速度。

18.根据权利要求15-17任何一项的焊接系统，包括用于得到与所述焊接过程相关的反馈信号的装置。

19.根据权利要求18的焊接系统，其中所述反馈信号包括电压。

20.根据权利要求19的焊接系统，其中所述反馈信号包括电流。

21.根据权利要求15-19任何一项的焊接系统，其中使用所述控制单元对与所述焊接过程相关的情况进行实时取样，以得到用于确定所述预定事件的信息。

22.根据权利要求21的焊接系统，其中使用所述控制单元来处理所述信息以得到第一参考信号，用来调节所述电极的所述推进速度。

23.根据权利要求21或22的焊接系统，其中使用所述控制单元来处理所述信息以得到第二参考信号，用于控制所述电极的所述熔化速度。

24.根据权利要求15-23任何一项的焊接系统，其中所述焊接过程使用保护气。

25.根据权利要求24的焊接系统，其中所述保护气包括二氧化碳。

26.根据权利要求15-25任何一项的焊接系统，其中所述焊接系统以短路传递模式在多个焊接周期中操作，其中每个焊接周期包括一个电弧阶段，在此期间所述电极与所述工件隔开并且在所述间隔上产生电弧，所述电弧可操作地在所述电极末端形成熔融液滴，和一个短路阶段，在此期间所述电极与所述工件接触，每个焊接周期从所述电弧阶段转变到所述短路阶段，使所述熔融液滴与所述工件接触，并且在所述电极和所述工件之间形成的熔融材料桥断裂之后从所述短路阶段转变为所述电弧阶段。

27.根据权利要求26的焊接系统，包括用于调节所述焊接系统以在电弧阶段中在电极末端形成熔融液滴的装置，液滴直径大于电极直径，以及在熔融液滴接触工件之后使液滴从电极分离的装置，从而确保在每个焊接周期中都产生短路阶段。

28.一种控制电弧焊接系统的方法，基本上如本文所述并参考附图和/或实施例。

29.一种焊接系统，基本上如本文所述并参考附图和/或实施例。