摘 要

Abstract 3

1 绪论 4

1.1气体保护焊波形控制技术发展 4

1.2本课题研究内容和技术方案 5

2 熔滴过渡过程的电流波形控制 6

2.1STT表面张力过渡 6

2.2喷射过渡波形控制 7

2.2.1 射滴过渡 8

2.2.2 射流过渡 9

2.2.3 脉冲电流的波形控制技术 10

3 单片机选型与性能参数分析 13

3.1常用微机芯片介绍 13

3.1.1 DSP芯片 13

3.2.1 MCS51单片机 14

3.2单片机C8051F020芯片 15

3.3单片机C8051软件系统 16

4波形控制软件编程设计 18

4.1 焊接主程序及其功能 18

4.2 波形控制方案设定 20

4.3 波形控制软件设计 21

5结论 22

致 谢 24

摘 要

本文阐述了CO₂气体保护焊熔滴过渡基本理论。在提出了多种熔滴过渡方式的基础上介绍其焊接过程的电流波形控制方案，其中重点研究了STT表面张力过渡理论及其弧焊电源的电压电流波形图。设计CO₂气体保护焊熔滴过渡采用的电流波形。介绍了常用的微机芯片DSP和单片机以及单片机C8051的主要构造特点，C8051的软件运算速度和指令处理能力。运用C8051单片机在建立了波形控制模型的基础上，通过设计相关的软件程序从而实现精确实时的波形控制。这些设计结果表明波形控制方案增强了焊接稳定性减少了焊接产生的飞溅，改善了焊缝成形。本文主要介绍了其波形控制方案和软件系统的设计过程。

关键词：气体保护焊 波形控制 C8051单片机 软件程序

Abstract

This paper describes the CO₂ gas shielded arc welding droplet transfer basic theory. It describes the current waveform control scheme welding process in making a variety of droplet transfer mode on the basis of which focus on the STT Surface Tension Transfer Theory and welding power source voltage and current waveforms. Design of CO₂ gas shielded welding droplet transfer current waveforms used. Describes common microcomputer chip DSP and major structural features of the microcontroller and microcontroller C8051, C8051 software instruction processing speed and computing capacity. Using C8051 MCU in the establishment of a waveform control model based on the design by the associated software program in order to achieve accurate real-time waveform control. These results indicate that the waveform control scheme designed to enhance the stability of welding reduces spatter produced improved weld. This paper describes the design process of the waveform control programs and software systems.

Key Word: GMAW Waveform control C8051 MCU software program

1 绪论

1.1气体保护焊波形控制技术发展

气体保护焊是一种在实际工业生产中比较容易实现自动化的焊接方法,这种焊接方法的生产效率比较高,它的优点主要体现在制作成本较低、操作性简单灵活、适应性强等方面。气体保护焊也存在着一些难以避免的缺点，焊接过程中熔滴短路过渡时产生的飞溅较大,导致焊缝成形不良好,而且很难在焊接过程中及时精确的调整焊接参数,这些缺点的存在在很大程度上严重限制了其焊接工艺的推广发展。气体保护焊焊接过程中的熔滴短路过渡对焊接质量的影响至关重要。世界上的焊接学者为了解决这个问题，对熔滴短路过渡的机理进行了深度分析,发现焊接参数对改变熔滴短路过渡有直接的影响，一方面焊接参数是电弧现象的信息载体,另一方面也是弧焊过程中可以改变可以控制的变量,从而提出了焊接电压焊接电流的波形控制法。采用波形控制法能够有效地减少焊接过程中熔滴产生的飞溅,改善焊缝成形，极大的提升了焊接质量。而采用人工智能技术利用单片机软件编程可以使波形控制更为精确，更容易操作，提高其可靠性。随着时间推移,在微电子技术飞速发展的浪潮中,波形控制法的发展得到了极大的推动。在层出不穷的焊接工作者的不断努力下,波形控制法取得了非常大的进步，由开始只能大概的控制到现在可以精确的控制,精确控制以后还可以准确实时的调整焊接参数,波形控制法的发展令人惊讶，减少了焊接工艺发展的阻碍。波形控制主要是对气体保护焊焊接过程中各阶段的焊接电流进行及时精确的控制,它的控制理念是首先减小短路电流，因为短路电流是产生飞溅的主要因素;为了减小瞬时短路次数,应该减小燃弧后期的焊接电流，从而保证正常的短路,来降低飞溅率。为减小飞溅改善焊缝成形而兴起的波形控制法,已经慢慢表现出他的灵活性和精确性。在众多波形控制法中，运用较多的是美国林肯公司的STT，然后就是脉冲电流的波形控制技术。国内的焊接工作者也设计出了多种波形控制法，其中清华大学设计出了以TMS320LF2407ADSP为核心元件的CO₂焊逆变电源特性PID控制系统，通过设计相关的运用软件程序精确实时的控制电源的特性，通过改变PID参数，得到了不同的动态响应和不同的焊接电流和焊接电压波形，为国内后来的波形控制技术的发展打下了良好的理论基础。波形控制法的灵活性和精确性要得到更大程度的体现需要更高逆变频率的弧焊电源。波形控制法正在向更加准确化微机化以及灵活化的方向不断发展进步。波形控制法的思想也已经不仅仅局限于控制焊接过程产生的飞溅和焊缝成形,在提高焊接工艺的其它性能方面也一样具有优势。

焊接过程的物理和化学过程非常复难以控制,波形控制方法的精确性虽然很大程度上加强了对熔滴过渡过程各个阶段的控制能力，但是也带来了一些问题：可控参数增加了。如果用硬件来完成全部的焊接过程,那么它的控制电路就会变的非常复杂,严重影响了系统的可操作性,而且在调整控制可控参数方面也会变的困难，整个焊接过程受到了很大的局限性。因此有很多的焊接工作者开始研究弧焊电源的电流波形的微机控制,采用人工智能技术利用单片机软件编程实现波形控制具有算法先进,控制灵活,可靠性高等特点。

1.2本课题研究内容和技术方案

气体保护焊熔滴过渡控制存在着很多种技术解决方案，波形控制法是比较成功应用比较广泛的一种。通过分析熔滴过渡过程的几种电流波形控制方案，选择STT表面张力过渡方式为短路过渡波形控制方法，控制电流动态参数。选定PID控制算法调节脉宽确定短路过渡状态判断指标。以气体保护焊波形控制为研究对象，通过研究气体保护焊熔滴过渡的基本理论，分析波形控制法的控制机理及其成功实现所需要的条件，其中重点研究STT表面张力过渡包括他的电流波形图以及其每个阶段的控制方法。选取C8051作为主要的控制芯片，采用MCS-51单片机软件编程设计实现短路过渡波形控制，设计焊接总程序和波形控制程序流程图，并为程序进行说明，设计相关的运用软件程序。

2 熔滴过渡过程的电流波形控制

熔化极气体保护焊焊接过程熔滴产生的飞溅比较大，焊缝成形差，调整焊接参数会比较困难，焊缝成形差，这就限制了熔化极气体保护焊焊接工艺的推广应用。熔滴过渡过程直接影响着熔化极气体保护焊的焊接质量，由于不同的焊接规范，熔滴过程中存在多种过渡模式，目前国内外的熔滴过渡过程的控制方法主要从改变电弧的电流和电压入手，针对特定的熔滴过渡模式，通过改变焊丝热输入量减小飞溅，很难满足不同工艺参数的要求。

根据熔化极气体保护焊中存在的问题，通过分析熔滴过渡过程的机理，对于短路过渡模式和自由过渡模式中熔滴不同的行为状态，采用不同的控制策略确保熔滴平稳连续的过渡。

2.1STT表面张力过渡

在众多波形控制法中，目前在工业焊接领域中应用比较广泛的是STT( Surface Tension Transfer)，STT技术就是表面张力过渡控制技术。STT弧焊电源主要工作于熔滴短路过渡方式，在焊接过程中不断的检测焊接电压与电流及焊接电压电流的变化率，根据检测到的电压可以得到对应的电流。STT弧焊电源将短路过渡过程精细的分成七个阶段加以控制，即：短路前燃弧期、液桥形成段、颈缩段、液桥爆断段、重燃弧段、稳定燃烧段、燃弧后期段，如图2-1所示。

图2-1 STT弧焊电源的电压电流波形

1. 短路前燃弧期(t₀~t₁)：为了保证电弧能够顺利燃烧，保证熔滴能够顺利长大，将基值电流控制在50~100A。
2. 液桥形成段(t₁~t₂)：控制焊丝以较小的速度慢慢送进，此时熔滴在基值电流作用下会发生短路，根据电压能够判断出短路状态。短路发生后，电流立即从基值电流下降到10A，较小的电流可以进一步促进熔滴和熔池的接触，为了使熔滴和熔池之间形成一个稳固的短路桥，电流需持续0.7ms左右。
3. 颈缩段(t₂~t₃)：平稳牢固的短路桥形成以后，电流会以双曲线形式在短时间内迅速增大，短路桥的上半部分会发生颈缩，同时计算电压电流得变化率du/dt,此时处于高温下的液态钢电阻率非常高，因此电压不是零。
4. 液桥爆断段(t₃~t₄)：当电压电流的变化率du/dt达到一个确定值的时候，短路桥即将发生熔断，如果短路桥在颈缩力作用下熔断焊接效果会受到影响，为了保证短路桥是在表面张力作用下平稳熔断，必须减小电流，使电流在几个us内立即降到50A，熔断发生的时间处于t₄ 。
5. 重燃弧段(t₄~t₅)：熔断发生以后，为了能够减少燃弧对熔池的冲击作用，保证焊缝成形，燃弧电流(50A)会持续一段时间(t₄~t₅)。
6. 稳定燃烧段(t₅~t₆)：熔滴过渡完成以后，电流会上升约450A。对直径1.2mm的焊丝，速度5m/min,全C0₂气体保护焊，时间约为1~2ms,来增加电弧的燃烧功率，有利于改善焊缝成形。
7. 燃弧后期段：在这一段中电流按照一定的速度减小到基值，为下一个周期做好准备。

STT控制技术根据这七个阶段的特点分别对电流控制,这种控制方法具有实时性和精确性。电流的上升下降或保持不变都与各个阶段的特点密切有关，这种控制方法在和大程度上减少了熔滴过渡过程中产生的飞溅，改善焊缝成形。。

STT技术的另一个典型而突出的特点就是它的焊接电流与送丝速度没有关系，这样可以在很大程度的减少飞溅和烟尘的同时更方便地控制热输入量。

2.2喷射过渡波形控制

熔滴的尺寸小于焊丝直径的尺寸进行的过渡就是喷射过渡。电弧形态比较扩展是MIG电弧可以产生熔滴喷射过渡的主要原因，在MIG电弧作用下，因为氮气是单原子气体，不能够发生分解，氮气的热传导率非常小，基本不会对电弧的冷却作用产生影响，在这种情况下电弧的场强就会比较低，形态上容易扩展，焊丝端头大部分就会被电弧包围，很容易发生熔滴过渡。MIG焊熔滴喷射过渡主要用于中等厚度和大厚度板水平对接和水平角接。熔滴过渡的形态与焊丝材料有关，因此喷射过渡又可以分为射滴过渡和射流过渡两种过渡。CO₂气体保护焊焊接过程中，因为CO₂在电弧状态下分解吸热，由于吸热作用在电弧弧根会产生收缩力，这样就形成了一个不稳定的喷射过渡。而混合气体保护焊中，由于保护气体的存在，使熔滴形式发生改变，电弧扩展，容易沿着焊丝往上爬。当保护气体所占的比例达到一定程度时，电弧就会包围熔滴，变为射滴过渡。当射滴过渡后，焊丝端部被电弧包围，就会变为射流过渡，焊丝端部呈笔尖状，过渡频率显著增加，熔滴变细。

从短路过渡转变为射流过渡的电流值称为临界过渡电流值。短路过渡到喷射过渡的转变特性与焊丝材料，保护气体，干伸长等密切相关。

1. 焊丝材料：焊丝成分和焊丝直径都属于焊丝材料。如果焊丝直径很粗，那么过渡临界电流就会很大，这是因为焊丝直径越粗，熔滴的直径越大，而需要的过渡能量越大，则临界电流越大。生活中经常使用的焊丝材料主要有钢，铝以及合金，不锈钢，铜及其合金等。由于铝的电阻率比较低，因而不能够产生跳跃，只存在射滴过渡，没有射流过渡。而钢和不锈钢的电阻率较高，因而临界过渡电流就会较低，由于钢焊丝中Mn,Si的含量不同，在不同的保护气体中也会影响临界过渡电流值。
2. 保护气体：对于钢焊丝H08Mn2Si，通常会采用的的保护气体是CO₂ Ar，临界电流会随着气体中CO₂含量的增加而增加。当气体中CO₂的含量达到30%以上，射流过渡就不能够实现。
3. 干伸长：干伸长越长，则电阻热预热越显著，跳弧越容易，而临界电流值越低。

2.2.1 射滴过渡