焊接科技工作者的责任
新型MIG焊接电弧控制法的诞生
清华大学机械工程系教授 区智明
1984年盛夏的一天，焊接馆几乎沸腾起来了，人们奔走相告：机械工程系潘际銮教授领导和主持的研究项目“新型MIG焊接电弧控制法”获得了国家技术发明奖一等奖。这是我国科研成果的最高奖项之一，这也是我国高等学校首次获得的一项国家发明奖一等奖。学校领导和国内外同行都以各种形式纷纷表示祝贺，几个月以来，实验室里参观者络绎不绝，人们惊奇地一边听着从焊接电弧中发出来的优美音乐和讲解声, 一边观看焊接过程的演示和效果。
参观者和采访记者几乎都要提出一个共同的问题：“你们是怎么想到要搞这个研究项目的？”。一个简单的问题，使研究小组的师生们陷入沉思和往事追忆之中。七、八十年代，从新闻报道和石油、化工、电站锅炉等行业的内部通报等得知，我国压力容器爆炸事故频繁，损失严重。一次严重的爆炸事故可以毁灭一个企业，给国家和企业造成严重的财产损失和人员的伤亡。在下厂的生产和研究实践中，师生们对高压容器爆炸事故造成的影响也有切身的体会。事故原因调查结果表明，造成爆炸事故的罪魁祸首是制造容器时的焊接缺陷。为了提高焊接质量，焊接技术人员和工人们在施工中想了不少的办法，其中一个办法就是采用双面焊接的方法，在容器焊缝的双面施焊，确保焊透和背面焊缝的焊接质量。但是要实现这一措施，焊工要付出十分艰苦的代价。由于制造压力容器的钢材强度较高，为了保证焊接质量，一般在焊接之前，要将容器预热到摄氏100－200度。焊工要钻进如此高温度的容器内在焊缝的背面进行焊接，是一件十分艰苦的工作。他们要穿着隔热的石棉衣，在容器内焊接20分钟左右再爬上来由另一位工人替换。由于工作环境温度太高，焊工在操作时晕倒在容器内的事故经常发生，因此，在焊接施工过程中，救护车就守侯在一旁待命。尽管焊工都是经过操作考试严格挑选的并持有压力容器焊接资格证书的高级焊工，但是由于工作环境恶劣，温度太高，焊接质量仍难以保证。焊工师傅高温条件下艰苦工作的情景以及高压容器爆炸事故的惨像在师生们的脑海中留下难以磨灭的印象。他们表示一定要研究提高焊接电弧工艺性能的控制方法，并开发一种只要在正面焊接就能够在背面形成焊缝的方法。这也是我们焊接研究技术人员的责任。
脉冲MIG电弧焊是一种先进的焊接方法，一般用于对焊接质量要求较高的高强钢或有色金属构件的焊接，在国防、石油、化工、电站锅炉等领域中有着广泛的应用。但是，传统的脉冲MIG电弧焊存在三个方面的缺点：一是焊接规范参数多，而且相互影响，参数设置复杂；二是电弧自调性能弱，弧长的稳定性较差；三是熔滴过渡稳定性差，电弧遇到扰动时，不能维持最稳定的熔滴过渡方式；针对上述问题，国内外同行做了大量的研究工作，取得了一定的进展。例如英国国家焊接研究所的学者们采用协同参数和微机优化控制的方法解决了参数设置复杂的问题，但是由于这种“协同”的控制方法在本质上属于开环控制，当条件变化或扰动出现时，平衡关系被打破，电弧就不正常了。当时在解决弧长稳定性和熔滴过渡稳定性两个方面的进展甚微，主要原因是国内外采用的众多的控制方法都陷入了一个基本的矛盾：提高弧长稳定性和熔滴过渡稳定性的措施是相互冲突和矛盾的，提高了电流和熔滴过渡稳定性的同时又降低了弧长的稳定性。 反过来也一样，提高电弧的自调性能和弧长的稳定性又降低了熔滴过渡的稳定性。在当时的条件下，获得国外详细最新研究资料是非常困难的，当时任国际焊接学会副主席的潘际銮教授，每次到国外开会都带回了大量国外最新研究资料和动态，研究小组对该领域的国外研究现状尤其是美、英、德、日的在该领域的研究动态都十分熟悉和了解。这就使小组的研究工作从一开始就定位在学科的前沿和世界先进水平上。
针对脉冲MIG电弧控制方法存在的问题和矛盾，经过一段时间的深入实验研究，我们认识到，如果采用常规的方法，就无法摆脱基本矛盾的困惑。要取得突破性的进展，必须采用全新的思路和方法。
电弧的性能决定于焊接电源，要控制电弧的性能就必须从控制焊接电源入手。传统的焊接电源只是起到给电弧提供能源的作用，因此以往的焊接电源外特性很简单，有恒流、恒压和下降几种。但是，从理论分析上可知，为了获得最佳的电弧，在各种不同的状态下要求的电源提供的静态特性和动态特性都不同。为了实现对电弧的最佳控制，在电流－电压平面上的不同区域应该提供不同的外特性段。我们根据MIG电弧性能的理论分析，在不同区域设计了不同的电源外特性，然后将这些外特性段连起来，形成复合的电压外特性，由于它的初始形状象阶梯，我们称之为“阶梯形外特性”。研究小组还开发了一种快速、无死区的电源外特性的独特联接方法， 为实现在不同的电弧状态下采用不同的电弧外特性来控制的思想创造了条件。
传统的焊接电源，针对不同的工艺和要求，尽管电源外特性千变万化，但是，在屹今为止的焊接技术史上，传统电源外特性斜率都小于电弧静特性斜率。“电源外特性斜率必须小于电源外特性斜率”这是教科书上明确规定的一条定理。因为当电源外特性斜率大于电弧特性斜率时，会引起系统的不稳定。所以大于电弧静特性斜率的“陡升电源外特性”一直认为是电弧控制领域的禁区。“陡升电源外特性”究竟能不能用？禁区是否可以进入？这一直是研究小组思考的问题。针对这个禁区，如果我们用哲学的眼光来看待这个问题，就会得出新的结论。在脉冲MIG电弧控制实践中，我们希望电弧工作点分别维弧区和射流过渡区往返运动，不希望工作点在大滴过渡区出现，因为工作点在大滴过渡区出现时，会引起熔滴过渡不稳定。在电流－电压平面设置外特性时，我们正是将这种不稳定的“陡升电源外特性”设置在会引起熔滴过渡不稳定的大滴过渡区，迫使工作点离开大滴过渡区。以系统状态的不稳定来对付熔滴过渡的不稳定，使电弧工作点不出现在熔滴过渡不稳定的区域。同时，实现了弧长的自动检测和电弧工作点的自适应切换。这一新思路使研究工作取得新的突破，并获得很好的效果。
传统的焊接电源，它们的外特性在焊接前设置以后焊接过程中都是固定不变的。但是，实验研究表明，为了实现最佳控制，希望在电流－电压平面上的某一段电源外特性随时间按一定的规律变化。基于这一想法，研究小组开发了一种“运动外特性”，它可以根据设计的要求按一定的规律运动，成功地实现了对脉冲宽度和过渡熔滴的自适应控制。
新型MIG焊接电弧控制法的研究成果在理论和实践上开辟和发展了焊接电弧控制理论的新领域，为焊接电弧控制技术的发展和焊接电源的更新换代开辟了一条新途径。应用该项成果，不仅可以大大提高电弧的稳定性，而且，由于它的电弧是自适应的并具有很强抗干扰能力，即使在脉冲送丝条件下也能维持最佳熔滴过渡状态和性能。利用脉冲送丝焊的热输入大幅度变化这一特点，研究和开发了一种新的脉冲送丝焊方法，可以实现单面施焊、焊缝双面成形的新工艺，能够有效地提高焊接质量和改善压力容器的焊接工作条件，有了这项技术，焊工只需在容器外面施焊，就能保证焊缝背面的成形和焊接质量。新型MIG焊接电弧控制法在国内外同行中有很高的知名度，影响较大。我们的学者到美国、日本、德国、英国、瑞典等国家访问时，对方都提到中国的新型MIG焊接电弧控制法。该项成果在中国、欧洲和美国获得了发明专利权，先后在国内两家电焊机厂投产，获得用户好评。焊接电弧控制法的一些新概念，如阶梯形外特性等新技术在国内、国外的科研和商品焊机中得到广泛的应用。
