最近本人正在研究co2焊接時的聲音分析,有一些成果,下一步看能不能,進行一下頻譜分析,不知到有什么好方法.在控制飛濺方面,正在努力,有什么控制方法以后在上傳

你是在企業(yè)里搞還是學(xué)校里?

有個朋友十幾年前做過這方面的試驗,您查一下,應(yīng)該是1991-92年的博士論文.當(dāng)時是利用電弧的脈沖電弧壓力,測試在母材中的超聲頻率來控制熔深.飛濺控制應(yīng)該也可利用這種方法.
  他是王其隆的學(xué)生,當(dāng)時是由張九海帶的.

謝謝.回頭找一下.我在公司上班,業(yè)余時間搞,用公司的設(shè)備,領(lǐng)導(dǎo)不知道,再者學(xué)歷底,公司也不支持,純粹個人愛好.昨天做了個試驗,發(fā)現(xiàn)主控制板,諧振參數(shù)和主回路共振, 以后改參數(shù)還要注意,不過一個偶然的機會,我發(fā)現(xiàn)人為的減低控制板的響應(yīng)速度,焊機的飛濺小了,過渡更平穩(wěn)了,異常噪聲也少了.

電弧超聲的頻率響應(yīng)特性及其諧振機理*

吳敏生 張春雷 段向陽

  文 摘 為探討并建立一種頻率、功率等參數(shù)可以實時調(diào)節(jié)的新型超聲發(fā)生機構(gòu),選擇熔化極與非熔化極電弧回路,分別施加高頻連續(xù)交變信號和脈沖敲擊式信號,以不同的能量傳輸方式成功地實現(xiàn)了電弧超聲激發(fā).對受激電弧的聲發(fā)射信號分析表明,從音頻到超聲頻帶,電弧聲發(fā)射與激勵頻率之間存在著線性響應(yīng)和非線性響應(yīng)特征.利用熔池簡化模型和振動方程,解釋了電弧超聲諧振波群的產(chǎn)生機理,預(yù)測了諧振頻帶的可能分布.這些特性對實現(xiàn)功率超聲“柔性控制”具有潛在的應(yīng)用價值.
  關(guān)鍵詞 電弧超聲;頻率響應(yīng);諧振波列;振動方程
  分類號 TG 4

Frequent characteristic and resonant mechanism of arc-excited ultrasonic

WU Minsheng, ZHANG Chunlei, DUAN Xiangyang
Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China

  Abstract For searching the principle of a new ultrasonic generating mechanism, the arc in the consumable and non-consumable electrode circuit was submitted to the excitation with high-frequent continuous alternative and chopping pulse current separately. The characteristic of linear and nonlinear responses between arc-excited ultrasonic emission and excited frequency was realized by the received signal from the acoustic to the ultrasonic spectrum. Both the resonance mechanism and the possible distribution of resonance frequency existing in the arc-excited ultrasonic were discussed by means of a simplified model of a welding pool and the vibration equation, which may be a potential advantage for realizing flexible control of power ultrasound.
  Key words arc-ultrasonic; frequent response; resonant wave train; vibration equation

  利用常規(guī)焊接電弧的負(fù)載特性,在維持正常燃弧工藝條件的基礎(chǔ)上對電弧施加激勵電流信號,人們已成功地激發(fā)出電弧超聲,并記錄了電弧超聲信號的一些主要特征[1].這些特征在不同試驗方案中的可再現(xiàn)性,證明了電弧超聲是一種有別于其他超聲發(fā)生機理的新方法.其主要特點在于,以電弧負(fù)載作為超聲發(fā)射機構(gòu),不僅具有寬譜頻率響應(yīng)特性,而且具有頻率等參數(shù)實時可控特性.
  本文主要討論電弧超聲激勵試驗中出現(xiàn)的線性和非線性頻率響應(yīng)特征,并借助簡化熔池模型和振動方程,對電弧超聲諧振波群的產(chǎn)生機理以及諧振頻率區(qū)間的可能分布進行定性分析.

1 電弧超聲頻率調(diào)制和能量傳輸方式

  為使激勵電弧超聲的實驗不失一般性,選擇熔化極活性氣體保護焊和非熔化極惰性氣體保護焊兩種典型的電弧形態(tài),并采用了兩種不同的頻率調(diào)制激勵方案.在第一種方案中,對電弧的頻率調(diào)制采用了電磁耦合間接激勵方式.超聲激勵源通過并聯(lián)耦合的方式與常規(guī)CO2弧焊電源聯(lián)機.在第二種方案中,采用了對弧焊電源主電路直接激勵方式.激勵信號直接加到一種晶體管弧焊電源外特性控制電路中,并進行功率放大,產(chǎn)生的連續(xù)輸出高頻電流或具有一定重復(fù)頻率的脈沖電流直接疊加到電弧主電路中.聲發(fā)射信號的接收和存儲同文[2].
  采用電磁耦合間接激勵方式,激勵源自成回路,通過傳輸線把超聲能量耦合到電弧回路中.激勵源選取高頻功率開關(guān)器件,頻率調(diào)節(jié)范圍寬,且可以十分靈活地和各種電弧回路聯(lián)機試驗;缺點是傳輸線耦合存在阻抗匹配問題,傳輸效率較低.在直接激勵方式中,激勵源成為電弧控制電路的組成部分,激勵能量的傳輸效率很高,但由于電弧主回路的功率放大器件截止頻率所限,超聲激勵的頻率調(diào)節(jié)受到一定限制.這兩種激勵方式,都可以對電弧回路的輸出電流產(chǎn)生調(diào)制作用.與電弧電流的基值相比,激勵源對電弧電流幅度調(diào)制的深度很小,因此,對激發(fā)電弧超聲起主要作用的是頻率調(diào)制.

2 電弧超聲的頻率響應(yīng)及其可控特性

  在施加激勵信號前的穩(wěn)定燃弧過程中,基本接收不到規(guī)則的聲發(fā)射信號,即使在伴隨熔滴過渡的CO2氣體保護熔化焊過程中,聲發(fā)射探頭也僅接收到一些幅度很小的隨機信號.
  在穩(wěn)定燃弧過程中加入激勵信號,在音頻波段從低頻開始向高頻波段調(diào)節(jié).圖1是一組聲發(fā)射探頭和傳聲器所接收的電弧聲發(fā)射信號波形.圖中,F1、F2和F3對應(yīng)的頻率分別約為1kHz,1．9kHz和5．0kHz,Ua代表聲發(fā)射信號幅值(下同).在音頻范圍內(nèi)電弧對連續(xù)激勵的頻率響應(yīng)基本上呈線性關(guān)系.采用敲擊式脈沖激勵的電流波形和電弧聲發(fā)射波形如圖2所示.激勵脈沖的重復(fù)頻率大致在100Hz上下.圖中,上方曲線代表弧焊電源輸出電流波形,從中可以看出所疊加的激勵脈沖電流; 下方是受激電弧的聲發(fā)射波形,與激勵信號脈沖之間存在一定的相位差.改變重復(fù)頻率,聲發(fā)射接收系統(tǒng)都記錄到相應(yīng)頻率的聲發(fā)射信號.




圖1 在音頻范圍連續(xù)激勵方式下電弧聲發(fā)射波形




圖2 電弧對敲擊式脈沖激勵響應(yīng)波形

  繼續(xù)提高激勵頻率進入超聲頻段(約高于15kHz)之后,所接收的信號表現(xiàn)出明顯的不連續(xù)特征.僅在某些特定的激勵頻帶記錄到了與激勵源同頻的超聲信號.根據(jù)這種現(xiàn)象,還不能斷定電弧對激勵頻率的響應(yīng)存在某種“選擇性”.可以理解,隨著激勵頻率的提高,由于波前擴展的擴散損失和組織界面散射等原因,加劇了受激電弧聲發(fā)射信號的衰減,都有可能使聲發(fā)射探頭接收到的信號幅度減弱.
  然而,當(dāng)激勵源頻率繼續(xù)提高到某些頻帶時,聲發(fā)射探頭接收到的信號幅度出現(xiàn)明顯的增大,如圖3所示.聲發(fā)射波形保持與激勵源相同的頻率,僅是出現(xiàn)約1/4周期的滯后相位差.在實驗所用的聲發(fā)射探頭上限頻率(100多kHz)內(nèi),記錄到若干段類似“諧振波列”的現(xiàn)象.在CO2氣體保護焊過程中記錄到的幾個“諧振波”中心頻率分別位于30kHz,50kHz和80kHz區(qū)間,“波列”帶寬約1kHz.采用直接激勵式的鎢極氬氣保護電弧試驗,也記錄到特征相同的電弧超聲諧振波,僅僅是中心頻率所在區(qū)間有所變化.置于電弧附近的高靈敏度駐極式傳聲器通過空氣介質(zhì)同樣接收到這些諧振波.這種現(xiàn)象在不同試驗工藝條件所產(chǎn)生的不同電弧形態(tài)下,具有可再現(xiàn)性,說明電弧對激勵頻率存在非線性響應(yīng)特點.




圖3 一組電弧超聲“諧振波群”

3 電弧超聲諧振機理探討

  在焊接過程中,電弧不僅是個熱源而且也是一個力源.在交變激勵電流作用下,電磁力、等離子流力、極性斑點壓力等電弧力的周期性波動在傳輸介質(zhì)中激發(fā)超聲波.比較受激電弧聲發(fā)射在音頻和超聲頻帶的頻率響應(yīng)特點,初步可以認(rèn)定電弧超聲的諧振現(xiàn)象主要是連續(xù)變化的受激電弧作用力與熔池“受迫”振動之間產(chǎn)生的諧振.
  為了便于分析,對熔池形狀進行簡化,如圖4所示.圖中,R1(R2)、S1(S2)分別為熔池下(上)底面半徑、面積,F1(F2)、分別為作用在熔池下(上)底面的力和振動速度,l為熔池簡化模型中等效熔深.




圖4 簡化的熔池模型

  假定焊接電弧穩(wěn)定燃燒時電弧力為F0,當(dāng)對電弧施加某一頻率的激勵信號時,通過焊接電弧的電流值發(fā)生變化,作用到熔池上表面的電弧力為

               F2(t)=F0(1+Ω cosωt)              (1)

式中,Ω為調(diào)制指數(shù),ω為調(diào)制角頻率.
  根據(jù)牛頓定律,熔池振動方程可表示為

                            (2)

式中,ρ為密度,ξ為位移,T為應(yīng)力,Y為楊氏模量,.方程(2)的邊界條件為




根據(jù)連續(xù)位移條件,可以得到其解

                              (3)

在傳輸矩陣中,元素分別為






式中,k為角波數(shù),k=ω/v, v為聲速.
  式(3)即為熔池中介質(zhì)振動的傳輸公式,從中可了解熔池中力和振速的傳播情況.
  在實驗中,當(dāng)施加的激勵信號頻率達到某一波段時,熔池端部有可能處于自由態(tài),即滿足F1＝F2＝0,這是熔池產(chǎn)生共振的必要條件之一.
  由式(3)可知,對于某一“諧振頻率”,使得F1＝F2＝0,必須有B＝0.
  如令m=R1/R2, φ=kl=2πfl/v, η=m/(1-m)2,φ與激勵頻率成正比,η是與焊縫形狀有關(guān)的正的常系數(shù).B＝0相當(dāng)于

                 cotφ=φ-1+ηφ              (4)

式(4)為超越方程.其解示意圖見圖5.




圖5 超越方程解示意圖

  從圖5中可以看出,確實存在著許多離散分布的使熔池產(chǎn)生共振的諧振頻帶.此外,還可預(yù)測在大于100kHz的頻段中尚有多個“諧振頻帶”存在.顯然,隨著激勵頻率的提高,聲發(fā)射信號的接收也會愈來愈困難,必須通過其他手段來驗證.但受激電弧超聲發(fā)射原理的發(fā)現(xiàn),以及對電弧超聲非線性頻率響應(yīng)特點的探討,將為進一步發(fā)展一種功率調(diào)節(jié)靈活、頻率實時可控的“柔性功率超聲”方法及其工程奠定基礎(chǔ).

4 結(jié) 論

  受激電弧超聲發(fā)射對于不同形態(tài)的電弧(熔化極和非熔化極電弧)以及不同的激勵源能量傳輸方式,都具有可以再現(xiàn)的若干共同規(guī)律; 對音頻到超聲頻帶的頻率響應(yīng),既存在線性響應(yīng)區(qū)間,也存在非線性響應(yīng)的若干諧振區(qū)間.對連續(xù)激勵電弧超聲過程中發(fā)現(xiàn)的諧振現(xiàn)象,借助熔池簡化模型和相應(yīng)的振動方程解釋了可能的產(chǎn)生機理,并預(yù)測了諧振頻率的分布.

*基金項目:國家自然科學(xué)基金項目 (59775061)
第一作者:男, 1946年生, 教授
作者單位:清華大學(xué) 機械工程系, 北京 100084

謝謝指導(dǎo),現(xiàn)在做co2波控的人不多了,都在等抄別人的,或翻別人的板子,這對焊機發(fā)展很不利.

最近看到剛測的焊接波形,有很多非正常短路,短路電流很小,時間很短,而且還連續(xù)短路好幾次,不知道是怎么原因,是不是熔池異常抖動造成的,原因是什么

真的是高人!!!

很難說清.
1:能把您的測試方法說一下嗎?如用的是那種議器,最高測試頻率,測試的位置在哪?[焊槍與接線端子不同].
2:一般來說要多種測試儀器一起用,如高速攝像[加紅色過濾片]與電子測試同步.
3:遠(yuǎn)離有電磁干僥點.
4:測試源的準(zhǔn)確性.....

你是調(diào)整了電子電抗器吧.

co2焊接時怎么才能把短路時刻精確測量到,以便實現(xiàn)可控波形控制

電弧電壓低于5V