對稱過渡階段時間對雙絲MIG焊的影響

姚 屏，薛家祥，陳 輝，陳曉東

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院 機電學(xué)院，廣東 廣州 510635)

對稱過渡階段時間對雙絲MIG焊的影響

姚 屏1，2，薛家祥1，陳 輝1，陳曉東1

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣東技術(shù)師范學(xué)院 機電學(xué)院，廣東 廣州 510635)

根據(jù)國內(nèi)外對雙絲電流波形控制的研究現(xiàn)狀和兩絲之間電磁力大小的關(guān)系，提出一種雙絲MIG焊對稱過渡波形控制工藝方法。針對有無對稱過渡階段和雙絲過渡階段時間Ts對焊接效果的影響進行了試驗研究。結(jié)果表明：增加對稱過渡階段有助于提高焊接過程穩(wěn)定性。在當(dāng)前試驗條件下，雙絲過渡階段時間Ts不宜低于1 ms，否則無法體現(xiàn)對稱過渡控制的優(yōu)勢；不宜高于峰值時間，否則會影響焊縫質(zhì)量，降低焊接速度；過渡時間為2～3 ms時，能夠獲得穩(wěn)定的波形和良好的焊縫。試驗結(jié)果為對稱過渡波形控制方法提供了基本的工藝數(shù)據(jù)，為雙絲電流波形控制研究提供了新的方法。

雙絲MIG焊；對稱過渡；電流波形控制；雙絲過渡階段時間

0 前言

雙絲焊作為一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接工藝，受到國內(nèi)外焊接工作者的廣泛關(guān)注[1-2]。因其控制參數(shù)眾多，工藝相對復(fù)雜[3-4]，目前的研究主要集中在同頻反相電流，大部分的觀點都認為反相時輸出電弧干擾小，焊接過程較穩(wěn)定。但日本的T.Ueyama等人進行了同頻同相工藝試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)跟隨焊絲峰值階段比前導(dǎo)焊絲峰值階段延后0.5 ms時，可以得到好的焊接過程和焊縫成形[5]。F.Marcelo Motta等人經(jīng)過試驗研究提出，反相波形不是取得良好的焊縫的必要條件[6]。上海交通大學(xué)的華學(xué)明等人則提出減小前導(dǎo)焊絲和跟隨焊絲的電流比例有減小斷弧的趨勢[7]。通過試驗發(fā)現(xiàn)，在電流不大的情況下，同相同頻率的波形也能得到較好的焊縫，而且有效減少了斷弧現(xiàn)象的發(fā)生。為了結(jié)合兩種波形的優(yōu)點，根據(jù)大量的工藝試驗，提出一種對稱過渡雙絲脈沖MIG焊工藝方法，并針對前后絲過渡電流Is1、Is2和過渡時間Ts的變化對焊接過程的影響進行了工藝試驗，得到相應(yīng)的變化范圍，為進一步深入研究提供了重要參考。

1 對稱過渡波形控制方法的提出

雙絲脈沖焊工藝中，兩個焊絲之間的電弧干擾會導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定。通過D.Savu建立的雙絲之間所受磁場力的計算公式可知[8]，在其他物理條件不變的情況下，雙絲電流的乘積大小決定了雙絲之間的電磁力。為減小電磁力的作用，目前雙絲波形控制中經(jīng)常采用圖1所示的同頻率相位差180°的交替模式，此時電弧之間的相互作用力只有普通焊接時的四分之一甚至更低。但是電流突然從較大的峰值階段降到較小的基值階段，易引起焊接過程的不穩(wěn)定和斷弧現(xiàn)象。因此在試驗的基礎(chǔ)上，提出了對稱過渡波形控制工藝方法，如圖2所示，將每路脈沖波形分為峰值段、過渡段和基值段三個階段。過渡階段增加了前絲過渡電流Is1、雙絲過渡階段時間Ts、后絲過渡電流Is2三個參數(shù)。這三者直接決定了過渡階段提供給熔滴的能量，通過調(diào)節(jié)Is1、Is2的大小關(guān)系，使兩絲之間電磁力的大小接近甚至小于反相狀態(tài)的電磁力，同時由于對稱過渡階段的存在，使焊接過程更加平穩(wěn)和可控，得到良好的焊接質(zhì)量。

圖1 雙絲同頻反相電流波形控制方法

2 試驗系統(tǒng)和試驗方法

本試驗平臺由DSP一體化雙絲弧焊電源、行走機構(gòu)控制器及焊接試驗臺、焊接電弧動態(tài)小波分析儀、雙絲脈沖MIG焊軟開關(guān)逆變電源、送絲機、雙絲焊槍、水箱等設(shè)備構(gòu)成。利用焊接電弧動態(tài)小波分析儀采集和分析波形，由自行研制的一體化雙絲脈沖MIG焊軟開關(guān)逆變電源的控制軟件實現(xiàn)控制波形。

雙絲對稱過渡電流波形控制的基本試驗條件：前導(dǎo)焊絲峰值電流340 A，基值電流88 A，跟隨焊絲峰值電流300 A，基值電流75 A；前后絲同頻率，頻率56Hz，占空比30%；試件為Q235鋼，厚8.0 mm，焊絲采用H08Mn2SiA，直徑φ 1.0 mm；保護氣體為純氬，氣體流量15 L／min；焊絲干伸長12.0 mm，兩根焊絲末端之間距離為8.0 mm；平板堆焊。

圖2 雙絲對稱過渡電流波形控制方法

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 有無對稱過渡階段的影響

為了研究對稱過渡階段的效果，首先進行有無對稱過渡階段的影響研究，主要參數(shù)如表1所示。

表1 有無對稱過渡階段試驗參數(shù)和電流

由表1可知，增加了過渡階段進一步增大了前絲的平均電流，增加了可穩(wěn)定焊接的行走速度。

無對稱過渡階段的電流波形及焊縫形貌如圖3所示。由圖3可知，在沒有對稱過渡階段的情況下，在峰值和基值切換的過程中，由于電流變化較大，容易出現(xiàn)斷弧，如圖3中168 ms處，電流出現(xiàn)了一個較大的尖端，極可能導(dǎo)致斷弧。從焊縫上也可看出，由于電流的不穩(wěn)定，焊縫成形并不規(guī)則，在多處出現(xiàn)了凹陷的情況，三個凹陷后的焊縫顯示有重新起弧的紋路，母材上面明顯可以看出飛濺的痕跡。焊接過程中可觀察到弧長不穩(wěn)定，偶有爆破聲。

有對稱過渡階段的電流波形和焊縫如圖4所示。由圖4可知，波形規(guī)則，有明顯的對稱過渡階段，無短路斷弧現(xiàn)象的發(fā)生。在焊接過程中可以觀察到，電弧長度一致，呈鐘罩狀，沒有飛濺，發(fā)出的聲音和一般雙絲接近“嗡嗡”的聲音不同，是一種更為輕柔的介于“嗡”和“咝”之間的聲音。焊縫成形均勻一致，表面光澤感明顯。焊縫頂部與普通雙絲焊縫有較大不同，兩者對比如圖5所示。普通焊縫頂端多為較規(guī)則的魚鱗狀紋路，偶有一些雜點，具體形態(tài)為圖5左邊所示焊縫。采用對稱過渡電流波控方法的焊縫，在頂端有一個較為明顯的過渡帶，使焊縫頂部的光澤明顯優(yōu)于普通焊縫，過渡帶下方的魚鱗紋也更為均勻細致，形態(tài)如圖5右邊焊縫所示。綜上所述，對稱過渡波形控制方法使焊接效率相應(yīng)提高，焊接過程更為穩(wěn)定，焊縫成形更美觀。

圖3 無對稱過渡階段的電流波形和焊縫

圖4 有對稱過渡階段的電流波形和焊縫

3.2 對稱過渡階段時間對焊接過程的影響

為了深入研究對稱過渡階段的時間長度對焊接過程的影響，在電流一定的情況下，進行了雙絲對稱過渡時間Ts的單因素試驗。為了拉大時間梯度，采用Ts分別為0.9 ms、2 ms、3.2 ms、4.7 ms、6.6 ms，波形如圖6所示，可以看出各個波形圖總體都比較規(guī)整。圖6a所示過渡時間為0.9 ms時，過渡階段不明顯，波形和反相控制波形差別不大。圖6b～6d波形的過渡階段越來越明顯，圖6d的過渡階段時長已經(jīng)超過了峰值階段。試驗中觀察到Tm＝2 ms和Tm＝3.2 ms都能取得較好的焊縫和波形。Tm＝3.2 ms的波形和焊縫如圖4所示。Tm＝0.9 ms焊縫如圖7a所示，成形稍好于沒有加過渡階段的圖3所示焊縫，但過渡帶不明顯，焊縫頂部呈一種不均勻的紋路，光澤感不強，有一定飛濺產(chǎn)生。隨著過渡時間的增加，焊縫過渡帶寬度逐步增加，紋理進一步細致，圖4所示的焊縫就美觀均勻，到了Tm＝4.7 ms時，依然可以實現(xiàn)穩(wěn)定的焊接，由圖7b可以看出，此時飛濺很少，焊縫頂部的過渡帶已經(jīng)基本覆蓋焊縫50%的表面積。此時實測的前導(dǎo)焊絲和跟隨焊絲電流分別為：I1＝180.388 A，I2＝131.405 A，兩者相差50 A。在相同行走速度下，焊縫余高比Tm＝3.2 ms時的稍大，熔寬稍窄，反映出對當(dāng)前電流而言，行走速度過快了。焊縫外觀雖然不錯，但是由于熔深減少，焊接質(zhì)量已經(jīng)降低了。到Tm＝6.6 ms時，雖然能焊，但是焊縫余高繼續(xù)增加，熔寬變窄，整個焊縫變得細高，顯示出母材熔化不良，目前的焊接規(guī)范已經(jīng)不太合適。據(jù)分析，這是由于過渡時間太長，降低了平均電流，特別是跟隨焊絲電流的占空比太低，平均電流過小，導(dǎo)致跟隨焊絲對母材的熔化率不夠，只是起到了填料的作用，在高速焊接時，僅前絲對母材的熔化作用，將導(dǎo)致無法形成較大的熔深，這種情況不利于焊接質(zhì)量的提高，也將影響焊接速度的進一步提高。

圖5 普通雙絲焊縫與對稱過渡波控焊縫對比

4 結(jié)論

(1)針對有無對稱過渡階段的雙絲電流波形控制進行了對比試驗研究，結(jié)果表明，雙絲對稱過渡電流波形控制方法可以取得更好的穩(wěn)定性、更美觀的焊縫和更大的焊接速度。

圖6 雙絲對稱過渡時間變化的波形

圖7 不同過渡階段時間的典型焊縫對比

(2)通過對過渡時間Ts變化的試驗研究發(fā)現(xiàn)，過渡時間太短，起不到過渡階段控制的效果，過渡時間過長，跟隨焊絲電流太小，導(dǎo)致焊縫熔深不夠，余高增加，降低了焊接質(zhì)量，妨礙焊接速度的提高。

(3)在當(dāng)前試驗條件下，適宜的過渡時間為2～3ms。研究工作對對稱過渡電流波控技術(shù)的深入研究有重要意義，為雙絲波形控制技術(shù)提供了一種新方法。

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Research on symmetrical transition time's effects on double-wire MIG welding

YAO Ping1，2，XUE Jia-xiang1，CHEN Hui1，CHEN Xiao-dong1
(1.South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.GuangDong Polytechnic Normal University，Guangzhou 510635，China)

A symmetrical transition waveform control process for double-wire MIG welding is proposed based on the current study，with considering the change of electromagnetic force between two wires.the effects of The availability of symmetrical transition and doublewire transition time Ts on welding quality are studied.The results show that it's helpful to improve the stability of the welding process while increasing the symmetry transition.Under the current experimental conditions，double-wire transition time Ts should not be lower than 1 ms，otherwise the advantages of symmetric transition control are unable to be realized.Double-wire transition time Ts should not be longer than the peak time,otherwise it will affect the weld quality and lower welding speed.During the transition time of 2～3 ms，waveforms are stable and weld quality is good.This results provide basic process data for symmetrical transition waveform control process and a new approach for waveform control of double-wire welding.

double-wire MIG welding；symmetrical transition；current waveform control；double-wire transition time

TG434

A

1001-2303(2012)03-0023-04

2011-12-28

國家自然科學(xué)基金資助項目(50875088)；廣東省科技計劃資助項目(2010B010700001)；廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目(LYM09099)；黃埔區(qū)科技攻關(guān)計劃資助項目(1021)

姚 屏(1978—)，女，副教授，博士，主要從事制造過程智能化檢測與控制和數(shù)字化電源的研究工作。