河南科技*材料科學與工程，河南洛陽471003
河南科技*電子信息工程，河南洛陽471003
關鍵詞：短路檢測；縮頸檢測；電子電路
一、前言
Co2氣體保護焊是一種易于實現自動化的焊接方法，具有高效、節能、抗銹、低氫、低成本以及可全位置焊接等優點,因此在中、薄板和全位置焊接中得到了廣泛的應用。短路過渡是Co2氣體保護焊中采用的最重要的熔滴過渡形式，易于實現全位置焊接，但普遍存在飛濺大和成形不好2個問題。飛濺大惡化工作環境，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。隨著焊機自動化程度的不斷提高，對焊接電源的改進提出了更高的要求。
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，在此基礎上發展了多種控制方法，如能量控制和波形控制等，這些控制方法都要求準確檢測出短路初期和短路末期。文獻[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生的電磁收縮力的作用，在此作用下，液橋金屬出現失穩現象，發生收縮、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(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(t6-t7)。
實驗中采用ZP7逆變焊機，焊接電壓23V，焊接電流200A，焊絲H08Mn2SiA。圖2是試驗中測得的焊接波形。在*個短路過渡周期中,t0時刻（約2ms處）為正常熔滴短路時刻，這時電壓由23V陡降至5V左右;t2時刻(約%3.2ms 處）為小橋縮頸即將爆斷時刻，從短路開始到這一時刻，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，電壓有一個很短的下降過程。短路結束t3時刻(約4ms處），此時電壓由短路時的6V左右猛然上升到25V以上。小橋的縮頸和爆斷是兩個完全不同的物理現象，盡管兩者之間有聯系，時間上也非常接近，但必須把它們區分開，因為當液體小橋爆斷、電弧再引燃時，電弧電壓才出現陡升，此時刻對于判斷液體小橋是否產生縮頸已無意義，但對于熔滴過渡是否結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時刻和小橋縮頸即將爆斷t2時刻以及短路結束的t3時刻。
三、Co2的檢測和引弧短路區分
焊接電壓輸入到短路檢測電路后，檢測電路要及時檢測熔滴與熔池的接觸時刻。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才有的，此時電壓由65V 左右陡降至5左右，此時如果降低焊接輸出電流，會導致熄弧。
在實際焊接實驗時，難以抓到空載、燃弧、短路同時存在的情況，因此在此采用ORCAD9.1 進行了仿真，如圖3所示。
圖中*個周期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。第二個周期中15-18ms為正常熔滴短路階段。針對短路過渡的特點，設計的電路必須滿足以下要求：a.正確區分引弧短路和熔滴短路；b. 發出的信號應是單片機能夠接受的數字信號；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。輸入信號經過穩壓管限幅，為使集成比較器能正常工作同時不影響波形檢測，將空載電壓值限制在28V內。限幅后的電壓信號輸入窗口比較器(由2個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，設計比較器的兩個給定電壓值U1和U2分別為12V和25V。當被比較的信號Uin位于門限電壓之間時(U1 從圖5中可知，15.2ms處的下降沿為熔滴短路to時刻的檢測信號。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，實現對引弧短路的區分。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1ms以上檢測到的下降沿為t0時刻檢測信號，否則為短路引弧過程。 該電路能夠準確檢測到t0時刻(輸出波形的下降沿15.2ms處），同時將熔滴短路與引弧短路明顯區分開來，具有很強的抗干擾能力，完全可以在實際焊機中使用。 四、小橋縮頸即將爆斷t2時刻和短路結束t3時刻的檢測 經過大量的試驗研究表明：在液體小橋縮頸即將爆斷時，除電弧電壓的一階微分、二階微分信號品質較好外，其余信號均因品質一般或太差而無法利用。采用一階微分和二階微分聯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，首先用穩壓管VS1把輸入信號Uin限制在12V以內，然后經微分放大器A1捕捉輸入信號的下降跳變，經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A2二階微分，把縮頸處的下降跳變信號放大，經過比較器A3進行比較及光耦輸出形成輸出信號Uout2。 圖7為實際焊接實測波形。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鍵時刻。Uout1的*個下降沿是短路的開始時刻t0；Uout2上升沿為短路結束時刻t3；當波形3處于低電平時，延時200us后查詢波形2的狀態，查到的下降沿為小橋縮頸即將爆斷時刻t2。 另外，由于短路時間小于1.5ms時，焊接電弧并沒有明顯的縮頸過程，在這種情況下，若發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，但對短時短路不會檢測到縮頸信號即!Uout1不會輸出第二個下降沿。如圖8波形2所示，在第三個短路過渡周期中無縮頸信號產生（波形2只有一個下降沿）。因此該電路具有較強的抗干擾能力。 五、結論 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和時刻，該研究所采用的電路可準確檢測短路前期熔滴短路t0時刻、小橋縮頸即將爆斷t2時刻和短路結束t3時刻，并具有較強的抗干擾能力，為研制波形控制逆變式Co2焊機奠定基礎。
