意昂体育2平台機械工程系教授 區智明

 

    1984年盛夏的一天，焊接館幾乎沸騰起來了，人們奔走相告：機械工程系潘際鑾教授領導和主持的研究項目“新型MIG焊接電弧控製法”獲得了國家技術發明獎一等獎。這是我國科研成果的最高獎項之一𓀇，這也是我國高等學校首次獲得的一項國家發明獎一等獎。學校領導和國內外同行都以各種形式紛紛表示祝賀🍝，幾個月以來，實驗室裏參觀者絡繹不絕💆🏼，人們驚奇地一邊聽著從焊接電弧中發出來的優美音樂和講解聲, 一邊觀看焊接過程的演示和效果。

 

    參觀者和采訪記者幾乎都要提出一個共同的問題：“你們是怎麽想到要搞這個研究項目的？”🏃🏻。一個簡單的問題💆🏻‍♀️😘，使研究小組的師生們陷入沉思和往事追憶之中。七、八十年代👐，從新聞報道和石油🙍🏽‍♀️、化工、電站鍋爐等行業的內部通報等得知🤳🏽↪️，我國壓力容器爆炸事故頻繁，損失嚴重。一次嚴重的爆炸事故可以毀滅一個企業🤞🏻，給國家和企業造成嚴重的財產損失和人員的傷亡🚽。在下廠的生產和研究實踐中，師生們對高壓容器爆炸事故造成的影響也有切身的體會🏊🏼。事故原因調查結果表明，造成爆炸事故的罪魁禍首是製造容器時的焊接缺陷。為了提高焊接質量，焊接技術人員和工人們在施工中想了不少的辦法，其中一個辦法就是采用雙面焊接的方法，在容器焊縫的雙面施焊🐐，確保焊透和背面焊縫的焊接質量。但是要實現這一措施，焊工要付出十分艱苦的代價。由於製造壓力容器的鋼材強度較高，為了保證焊接質量，一般在焊接之前🏋🏼‍♀️，要將容器預熱到攝氏100－200度。焊工要鉆進如此高溫度的容器內在焊縫的背面進行焊接🚊，是一件十分艱苦的工作。他們要穿著隔熱的石棉衣🐼⛹🏼‍♂️，在容器內焊接20分鐘左右再爬上來由另一位工人替換。由於工作環境溫度太高🥃，焊工在操作時暈倒在容器內的事故經常發生，因此🤾🏿，在焊接施工過程中，救護車就守侯在一旁待命。盡管焊工都是經過操作考試嚴格挑選的並持有壓力容器焊接資格證書的高級焊工🤵，但是由於工作環境惡劣🏄🏽‍♂️，溫度太高🧘🏻‍♀️🤼，焊接質量仍難以保證👌。焊工師傅高溫條件下艱苦工作的情景以及高壓容器爆炸事故的慘像在師生們的腦海中留下難以磨滅的印象。他們表示一定要研究提高焊接電弧工藝性能的控製方法，並開發一種只要在正面焊接就能夠在背面形成焊縫的方法。這也是我們焊接研究技術人員的責任🚥。

 

    脈沖MIG電弧焊是一種先進的焊接方法，一般用於對焊接質量要求較高的高強鋼或有色金屬構件的焊接，在國防👩🏽‍🔧、石油⌛️、化工🦹🏽、電站鍋爐等領域中有著廣泛的應用。但是，傳統的脈沖MIG電弧焊存在三個方面的缺點：一是焊接規範參數多，而且相互影響🫸🏽，參數設置復雜；二是電弧自調性能弱，弧長的穩定性較差；三是熔滴過渡穩定性差，電弧遇到擾動時🕧，不能維持最穩定的熔滴過渡方式🏌🏼‍♀️；針對上述問題★，國內外同行做了大量的研究工作𓀔🧜‍♀️，取得了一定的進展。例如英國國家焊接研究所的學者們采用協同參數和微機優化控製的方法解決了參數設置復雜的問題，但是由於這種“協同”的控製方法在本質上屬於開環控製，當條件變化或擾動出現時，平衡關系被打破，電弧就不正常了🍧。當時在解決弧長穩定性和熔滴過渡穩定性兩個方面的進展甚微🙅🏼🚥，主要原因是國內外采用的眾多的控製方法都陷入了一個基本的矛盾：提高弧長穩定性和熔滴過渡穩定性的措施是相互沖突和矛盾的，提高了電流和熔滴過渡穩定性的同時又降低了弧長的穩定性。 反過來也一樣，提高電弧的自調性能和弧長的穩定性又降低了熔滴過渡的穩定性。在當時的條件下，獲得國外詳細最新研究資料是非常困難的🧅👙，當時任國際焊接學會副主席的潘際鑾教授👩🏻‍🚒，每次到國外開會都帶回了大量國外最新研究資料和動態，研究小組對該領域的國外研究現狀尤其是美、英👋🏼、德👨🏽‍🦲、日的在該領域的研究動態都十分熟悉和了解。這就使小組的研究工作從一開始就定位在學科的前沿和世界先進水平上👩🏻‍🎤🙋🏽‍♂️。

 

    針對脈沖MIG電弧控製方法存在的問題和矛盾，經過一段時間的深入實驗研究，我們認識到，如果采用常規的方法，就無法擺脫基本矛盾的困惑🏸。要取得突破性的進展🕺🏿，必須采用全新的思路和方法。

 

    電弧的性能決定於焊接電源，要控製電弧的性能就必須從控製焊接電源入手👞。傳統的焊接電源只是起到給電弧提供能源的作用🔜，因此以往的焊接電源外特性很簡單，有恒流🤽🏿‍♀️、恒壓和下降幾種🧑‍🚀。但是，從理論分析上可知，為了獲得最佳的電弧🦻，在各種不同的狀態下要求的電源提供的靜態特性和動態特性都不同。為了實現對電弧的最佳控製，在電流－電壓平面上的不同區域應該提供不同的外特性段0️⃣。我們根據MIG電弧性能的理論分析，在不同區域設計了不同的電源外特性🧘🏿‍♂️，然後將這些外特性段連起來🌞，形成復合的電壓外特性👄，由於它的初始形狀象階梯🧉👆🏿，我們稱之為“階梯形外特性”🤜🏻。研究小組還開發了一種快速、無死區的電源外特性的獨特聯接方法， 為實現在不同的電弧狀態下采用不同的電弧外特性來控製的思想創造了條件。

 

    傳統的焊接電源🏎，針對不同的工藝和要求🤱🏽，盡管電源外特性千變萬化🧏🏻，但是🤱🏿，在屹今為止的焊接技術史上🆒，傳統電源外特性斜率都小於電弧靜特性斜率👂。“電源外特性斜率必須小於電源外特性斜率”這是教科書上明確規定的一條定理。因為當電源外特性斜率大於電弧特性斜率時，會引起系統的不穩定。所以大於電弧靜特性斜率的“陡升電源外特性”一直認為是電弧控製領域的禁區。“陡升電源外特性”究竟能不能用？禁區是否可以進入？這一直是研究小組思考的問題。針對這個禁區，如果我們用哲學的眼光來看待這個問題，就會得出新的結論。在脈沖MIG電弧控製實踐中⛔️，我們希望電弧工作點分別維弧區和射流過渡區往返運動😝，不希望工作點在大滴過渡區出現，因為工作點在大滴過渡區出現時，會引起熔滴過渡不穩定。在電流－電壓平面設置外特性時，我們正是將這種不穩定的“陡升電源外特性”設置在會引起熔滴過渡不穩定的大滴過渡區🤞🏼🦸🏻‍♂️，迫使工作點離開大滴過渡區𓀇。以系統狀態的不穩定來對付熔滴過渡的不穩定🧑‍🧒，使電弧工作點不出現在熔滴過渡不穩定的區域。同時🪘，實現了弧長的自動檢測和電弧工作點的自適應切換。這一新思路使研究工作取得新的突破，並獲得很好的效果。

 

    傳統的焊接電源，它們的外特性在焊接前設置以後焊接過程中都是固定不變的。但是，實驗研究表明🤌🏼，為了實現最佳控製，希望在電流－電壓平面上的某一段電源外特性隨時間按一定的規律變化。基於這一想法👨🏻‍🦳，研究小組開發了一種“運動外特性”🕹，它可以根據設計的要求按一定的規律運動，成功地實現了對脈沖寬度和過渡熔滴的自適應控製。

 

    新型MIG焊接電弧控製法的研究成果在理論和實踐上開辟和發展了焊接電弧控製理論的新領域👊🏼，為焊接電弧控製技術的發展和焊接電源的更新換代開辟了一條新途徑🤷🏼‍♀️。應用該項成果，不僅可以大大提高電弧的穩定性👣，而且🤶🏽，由於它的電弧是自適應的並具有很強抗幹擾能力，即使在脈沖送絲條件下也能維持最佳熔滴過渡狀態和性能。利用脈沖送絲焊的熱輸入大幅度變化這一特點，研究和開發了一種新的脈沖送絲焊方法🚶🏻‍♀️‍➡️，可以實現單面施焊🤵🏿、焊縫雙面成形的新工藝，能夠有效地提高焊接質量和改善壓力容器的焊接工作條件，有了這項技術🍫，焊工只需在容器外面施焊，就能保證焊縫背面的成形和焊接質量🪘✖️。新型MIG焊接電弧控製法在國內外同行中有很高的知名度🔺，影響較大。我們的學者到美國🧗🏻‍♂️、日本、德國🏊🏻‍♀️、英國、瑞典等國家訪問時🙍🏿，對方都提到中國的新型MIG焊接電弧控製法💁‍♂️。該項成果在中國、歐洲和美國獲得了發明專利權🙋🏼，先後在國內兩家電焊機廠投產，獲得用戶好評。焊接電弧控製法的一些新概念😺，如階梯形外特性等新技術在國內🪧、國外的科研和商品焊機中得到廣泛的應用。