脈沖MIG焊參數(shù)一元化試驗研究

蔣成燕，陳克選，陳 濤，李述輝

(蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

脈沖 MIG 焊（Pulsed Metal Inert Gas Welding）具有在較大電流調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)射滴過渡、軸向性好、適用于全位置焊接、熱輸入量方便可調(diào)以及焊接質(zhì)量好等優(yōu)點，但是其參數(shù)調(diào)節(jié)過于復(fù)雜。而一元化調(diào)節(jié)是通過單旋鈕來改變送絲速度，自動協(xié)調(diào)匹配焊接電流和焊接電壓等焊接參數(shù)的關(guān)系。建立一元化的數(shù)據(jù)庫可以簡化脈沖MIG電源的參數(shù)調(diào)節(jié)，使焊機的操作簡單，降低對焊工經(jīng)驗的依賴。

國內(nèi)有學(xué)者進(jìn)行了鋁硅合金材料雙脈沖焊接一元化調(diào)節(jié)專家數(shù)據(jù)庫的試驗和開發(fā)[1]，以焊接電流為調(diào)節(jié)參數(shù)分檔調(diào)節(jié)，進(jìn)行工藝試驗，取得典型的焊接工藝參數(shù)，實現(xiàn)按若干檔位調(diào)節(jié)的參數(shù)一元化。也有研究人員曾進(jìn)行了CO2焊接參數(shù)一元化的試驗研究[2]，以焊絲直徑為調(diào)節(jié)量，建立焊接電流信號和電壓信號的一元線性回歸方程，實現(xiàn)焊接參數(shù)的一元化調(diào)節(jié)。本研究采用焊接參數(shù)協(xié)同控制的方法，以送絲速度為調(diào)節(jié)量，通過正交試驗得到各參數(shù)的最佳匹配組合，建立送絲速度調(diào)節(jié)的一元化數(shù)據(jù)庫，為實現(xiàn)脈沖MIG焊接參數(shù)的一元化調(diào)節(jié)提供實驗依據(jù)。

1 試驗設(shè)備

采用自行研制的Super MIG-500數(shù)字化脈沖MIG焊機，焊機硬件有主電路和控制電路兩部分。焊機主要組成結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 焊機結(jié)構(gòu)原理

主電路包括：抗共模濾波、三相整流濾波、全橋逆變、功率變換、輸出整流濾波五部分。電網(wǎng)中的三相交流電首先經(jīng)整流橋整流為脈動的直流電，經(jīng)電容濾波后變成平滑的直流電，再經(jīng)四個IGBT開關(guān)管的交替輪流導(dǎo)通逆變成高頻方波交流電，經(jīng)高頻變壓器降壓，最后由全波整流和電抗器濾波輸出，實現(xiàn)功率的轉(zhuǎn)換，供給電弧。控制電路分為主控電路、驅(qū)動電路和送絲電路。主控電路以80C196KC單片機為核心，通過編程實現(xiàn)焊接過程控制、電流電壓采樣、A/D轉(zhuǎn)換、PI運算、參數(shù)預(yù)置等功能。驅(qū)動電路采用電流型PWM控制芯片UC3846產(chǎn)生帶死區(qū)的兩路PWM來控制全橋IGBT的導(dǎo)通脈寬，從而控制焊機的輸出電壓和電流。送絲電路采用開關(guān)電源型電路，通過單片機給定的不同脈寬信號來得到不同的電壓，從而獲得所設(shè)定的送絲速度[3]。

2 試驗方法

2.1 正交試驗

正交試驗是利用正交表進(jìn)行科學(xué)地安排與分析多因素試驗的方法，能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每一次的試驗都具有較強的代表性，保證了全面試驗的某些要求，節(jié)省了大量的人力、物力和時間[4]。而脈沖MIG焊的影響因素眾多，工藝參數(shù)優(yōu)化困難。故本研究將正交試驗應(yīng)用于脈沖MIG焊的工藝試驗中。

在保證焊接速度、焊絲伸長量、保護氣體流量等條件一致的前提下，影響脈沖MIG焊焊接效果的因素有：峰值電流（Ip），基值電流（Ib），峰值時間（Tp），脈沖頻率（f=1/T），脈沖寬度比（占空比）[5]。故采取了規(guī)格化的四因素三水平正交試驗表。針對每一個送絲速度，采用正交試驗的方法進(jìn)行工藝試驗得到與其匹配的最佳參數(shù)。

工藝試驗的焊接條件：試件為厚4.0 mm的Q235鋼板，φ1.2 mm鋼焊絲，保護氣體為純氬，氣體流量15 L/min，平板堆焊。以 φ1.2 mm 焊絲、3.0 m/min送絲速度為例進(jìn)行四因素三水平的正交試驗，即峰值電流、基值電流、頻率和占空比，每個因素取三個水平。按照優(yōu)選法進(jìn)行因素的水平選取，通過大量試驗進(jìn)行優(yōu)水平的逐次逼近，試驗確定各因素的優(yōu)水平如表1所示。

表1 四因素三水平正交試驗表

2.2 試驗數(shù)據(jù)

按正交試驗規(guī)定的方案完成每一號實驗，試驗不按表1的試驗號的順序進(jìn)行試驗，而是按抽簽方法進(jìn)行隨機試驗，消除由于試驗中操作掌握不勻所帶來的干擾以及外界條件所引起的系統(tǒng)誤差。詳細(xì)記錄焊接過程和焊縫質(zhì)量。針對焊接質(zhì)量的評定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。根據(jù)焊縫質(zhì)量評定歸類分優(yōu)、中、差，試驗焊縫質(zhì)量初步歸類見表3。

表2 焊縫質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)

表3 焊縫質(zhì)量分類

2.3 試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

峰值電流、基值電流、脈沖頻率、占空比對脈沖MIG焊焊接質(zhì)量的影響各有不同：

（1）基值電流的作用是在脈沖間歇期間維持焊絲與焊接熔池的導(dǎo)電狀態(tài)，保證脈沖電弧穩(wěn)定燃燒，同時預(yù)熱焊絲和母材，使焊絲端部有一定的熔化量，為脈沖電弧期間熔滴過渡做好準(zhǔn)備。

（2）峰值電流是決定脈沖能量的一個重要因素。為了使熔滴呈射流過渡，脈沖峰值電流值一定要大于臨界脈沖電流值，但臨界脈沖電流值不是固定的，它隨著脈沖峰值時間和基值電流的增加而減小；反之，隨著這兩個參數(shù)的減小而增大。在平均電流和送絲速度不變的情況下，峰值電流增大，熔深增大；峰值電流減小，熔深減小。

（3）脈沖頻率的大小主要根據(jù)焊接電流來確定。若焊接電流或送絲速度較大，需要選擇較高的脈沖頻率。焊接電流較小，脈沖頻率則應(yīng)選低一些。但脈沖頻率的調(diào)節(jié)范圍有一定的限制。脈沖頻率過高，將失去脈沖焊接的特點；脈沖頻率過低，則焊接過程不穩(wěn)定，由于脈沖之間相隔時間較長，還可能產(chǎn)生焊縫兩側(cè)熔合不良等缺陷，一般不大于80 Hz。

（4）脈沖占空比反映了脈沖焊接特點的強弱。脈寬過大，脈沖焊接的特點就不明顯，一般不大于50%[6]。

從正交試驗結(jié)果可知，四個因素權(quán)重的主次順序為：峰值電流＞占空比＞頻率＞基值電流，分析試驗結(jié)果得到參數(shù)匹配的最優(yōu)方案：峰值電流120 A、基值電流20 A、頻率40 Hz、占空比20%，具體結(jié)果如表4所示。

通過分析這九組試驗：對焊接質(zhì)量影響最大的是峰值電流，且當(dāng)峰值電流為120 A時焊縫質(zhì)量為優(yōu)，比如1#、2#；其次是占空比的影響，占空比為20%時焊縫質(zhì)量為優(yōu)，比如 2#、6#、7#。1#、2#和 7#焊縫質(zhì)量最好，成形好且有均勻魚鱗紋、飛濺小、噪聲小。

正交試驗理論分析得到的最優(yōu)方案在執(zhí)行之前需要進(jìn)行對比驗證試驗，將九組正交試驗中焊縫質(zhì)量最好的2#試驗方案與正交試驗得出的最優(yōu)方案進(jìn)行對比試驗。試驗結(jié)果表明，正交試驗得到的最優(yōu)方案比2#試驗方案焊縫質(zhì)量更好。故將最優(yōu)方案作為一元化調(diào)節(jié)的參數(shù)。

2.4 建立數(shù)據(jù)庫

按照上述正交試驗的方法，針對每個送絲速度取得峰值電流、基值電流、頻率、占空比的最佳匹配值建立一元化的數(shù)據(jù)庫，針對碳鋼材料、φ1.2 mm焊絲直徑的一元化數(shù)據(jù)庫如表5所示。

表4 試驗結(jié)果及分析

表5 φ1.2 mm焊絲焊接低碳鋼的最優(yōu)參數(shù)

采用數(shù)據(jù)庫中給出的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了大量的焊接工藝試驗，以驗證參數(shù)的可重復(fù)性。典型焊縫照片如圖2所示，焊接參數(shù)為：4.0 mm厚的Q235鋼板，φ1.2 mm鋼焊絲，保護氣體為純氬，氣體流量15 L/min，送絲速度 3.0 m/min，手工焊接，峰值電流120A，基值電流20A，頻率40 Hz，占空比20%，平板堆焊。焊縫成形均勻，魚鱗紋美觀，焊接過程穩(wěn)定，無斷弧現(xiàn)象和飛濺，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定可重復(fù)性強，能夠達(dá)到工業(yè)焊接要求。

圖2 送絲速度3.0 m/min一元化參數(shù)焊縫

4 結(jié)論

（1）采用自行研制的數(shù)字化脈沖MIG焊機，在給定試驗條件下進(jìn)行了四因素三水平的正交試驗，對焊接過程和焊縫質(zhì)量提出了評價標(biāo)準(zhǔn)和分類原則。

（2）分析試驗結(jié)果，得到了四因素的權(quán)重順序，獲得了給定送絲速度的各因素的最優(yōu)水平即各參數(shù)的最佳匹配值。

（3）以正交試驗為基礎(chǔ)，獲得在不同送絲速度下的峰值電流、基值電流、頻率及占空比的最佳匹配值，即建立了以送絲速度為調(diào)節(jié)量的一元化數(shù)據(jù)庫，為研制一元化脈沖MIG焊機提供了實驗依據(jù)。

[1]黃文超，熊丹楓，薛家祥.鋁硅合金雙脈沖MIG焊專家數(shù)據(jù)庫[J].焊接技術(shù)，2009，38（11）：43-46.

[2]杭爭翔，甘洪巖，李 利.CO2焊接參數(shù)一元化試驗研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28（1）：25-28.

[3]李述輝.數(shù)字化脈沖MIG焊機的研制[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2011.

[4]姜同川.正交試驗設(shè)計[M].濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

[5]Subramaniam S，White D R，Jones J E，et al.Experiment approach to selection of pulsing parame ters in pulsed GMAW[J].Welding Journal，1999，78（5）：166-172.

[6]殷樹言，張九海.氣體保護焊工藝[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1989.