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低飛濺高速 CO2焊技術

成果與項目的背景及主要用途：近年來我國鋼材年消耗量迅速增加，焊接工程量巨大，高效化焊接成為焊接技術發展的主流。MAG/CO2 焊由于其易于實現自動化、抗銹低氫、成本低以及可進行全位置焊接等優點，成為高效化焊接方法的重要選擇。在我國，以 MAG/CO2 焊為主的氣體保護焊工藝應用水平與發達國家相比仍有較大差距，但發展較快。據統計：1999 年，我國的氣體保護焊在整個焊接工藝中所占的比例約為 10%，而日本和美國則達 70%左右；2002 年我國此比例達到了約 17%，預計 2005 年可以達到 22~25%。在我國以 MAG/CO2焊為主的氣體保護焊在很大范圍內正逐步取代焊條電弧焊，極具發展潛力。 MAG/CO2 氣體保護焊短路過渡方式應用非常突出，國內外研究人員的研究證明：采用 MAG/CO2 焊短路過渡形式，可以有效地防止高速焊接(1m/min 以上) 時形成的焊接缺陷。但由于 MAG/CO2 焊保護氣體本身的物理性質所決定的，使用活性 CO2 氣體保護的焊接無論是采用細絲短路過渡方式，還是粗絲大電流的顆粒過渡方式，都會造成較大的飛濺，在短路過渡方式中，焊縫成形差也是很大的問題。著名的 STT 控制法利用對電流電壓的快速控制，大大降低了短路過渡過程的飛濺，改善了焊縫成形，但也只適用于電流較小的場合，用于高速焊接需要大電流的場合時仍存在飛濺大等不足之處。該技術主要解決純 CO2 氣體保護焊或低氬保護 MAG 焊時短路過渡的飛濺和焊縫成形問題。技術原理與工藝流程簡介：該系統利用傳感器采集信息，由單片機系統對焊接過程的信息進行分析，控制逆變弧焊電源的輸出。關鍵問題在于實時控制的及時性。短路過渡存在大量快速的瞬態過程，需要 122天津大學科技成果選編 123 控制電路及時做出響應，有很大難度。美國林肯公司的 STT 焊機利用 IGBT 功率開關并聯限流電阻的方法，可以非常迅速地減小電流，對于防止飛濺非常有利。但 IGBT 的工作條件非常嚴酷，限制了利用 IGBT 功率開關進行深入的研究，也使其局限于較小電流的場合。受上述條件的制約，我們必須考慮其他的選擇。本技術找到了一種預判短路過程的方法，采用高速模擬電路為主并結合單片機的中斷處理方法加以控制；而對短路過渡相對穩定的過程，其控制則以單片機為主，可以進行信息融合運算，甚至可以進行瞬態過程的預判運算。技術水平及專利與獲獎情況：國際先進，國家發明專利。應用前景分析及效益預測：目前 CO2 焊的飛濺問題的解決主要采用：a.純氬或混合氣保護，氣體成本高；b.利用進口 STT 焊機，在低速焊、小電流范圍應用，焊機成本高；c.采用藥芯焊絲，焊絲成本高，且只能焊接中厚板，不能短路過渡焊。這些解決方法都并不令人十分滿意，因而本技術有很好的的實際應用前景。本技術可將飛濺率降為普通短路過渡的 1/2~1/3 以下，以一個年消耗焊絲 500~1000 噸的大中型企業計算，每年僅焊絲飛濺造成的損失就可減少數十萬元，尚不包括清理飛濺所投入的人力物力。而本技術在普通逆變焊機基礎上加上 500~1000 元的一次性的材料成本投入，即可大幅度提高焊機的性能。應用領域：機械、船舶、鋼結構、汽車等眾多行業。

天津大學 2021-04-11

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