旁路耦合電弧高效焊接工藝的數(shù)字化與智能化

樊 丁 ，朱 明 ，石 玗，黃健康

（1.蘭州理工大學(xué) 有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

隨著我國制造業(yè)的迅猛發(fā)展和焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，焊接結(jié)構(gòu)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，每年的焊接工程量巨大并逐年遞增，對焊接效率提出了更高的要求[1]。在諸多熔化極氣體保護(hù)焊GMAW（G as M etal A rc W elding）方法中，除了合理設(shè)計(jì)坡口形式和采用窄間隙焊技術(shù)外，主要的途徑是通過增加焊接電流來提高焊絲的熔化率，如T.I.M.E.高效GMAW、磁控大電流GMAW、Tandem雙絲GMAW等。但是對于常規(guī)高效GMAW，熔化焊絲的電流等于流經(jīng)母材的電流，如果要提高焊絲的熔敷效率，就必然會增大流經(jīng)母材的電流，大電流帶來過量的熱輸入會造成焊穿等焊接缺陷的產(chǎn)生，同時也會造成母材焊后殘余應(yīng)力增加和焊縫韌性降低[2]。

為了解決這一問題，美國肯塔基大學(xué)提出了一種新型的低熱輸入高效焊接方法——旁路耦合電弧GMAW[3-4]。近年來，蘭州理工大學(xué)樊丁教授、石玗教授等人帶領(lǐng)的課題組在研究旁路耦合電弧GMAW方法的過程中，先后提出或完善了雙旁路耦合電弧GMAW、雙絲旁路耦合電弧GMAW、旁路耦合電弧脈沖GMAW等多種形式。針對旁路耦合電弧工藝的數(shù)字化與智能化展開了廣泛的研究：采用數(shù)值模擬的方法，數(shù)字化分析了耦合電弧行為最為復(fù)雜的雙旁路耦合電弧GMAW的熱物理過程，并在此基礎(chǔ)上分析了旁路耦合電弧脈沖GMAW在鋁-鍍鋅鋼板異種金屬焊接時接頭的界面擴(kuò)散行為；針對焊接參數(shù)匹配最復(fù)雜的雙絲旁路耦合電弧GMAW，設(shè)計(jì)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并采用兩種智能控制方案實(shí)現(xiàn)了焊接過程智能控制。

1 旁路耦合電弧GMAW原理

旁路耦合電弧GMAW的基本原理如圖1所示。主路GMAW焊槍選擇直流反接（電極接正極），旁路GTAW/GMAW焊槍選擇直流正接（電極接負(fù)極）；焊接過程中兩路電弧相互耦合，使得流經(jīng)焊絲的電流Im在電弧弧柱區(qū)被分為兩部分：一部分電流Ibp流經(jīng)旁路焊槍，另一部分電流Ibm流經(jīng)母材，所以Ibm=Im-Ibp；因此可以通過旁路GTAW/GMAW焊槍分流一部分熔化焊絲的焊接電流，這樣在保證熔敷率的同時，減小了母材的熱輸入?，F(xiàn)有研究表明[5-7]，旁路電弧的引入可以促進(jìn)主路熔滴弧根面積的擴(kuò)展，產(chǎn)生“跳弧”現(xiàn)象，降低主路熔滴非接觸自由過渡的臨界電流，并且顯著降低焊接熔池表面的電弧壓力，避免高速焊時產(chǎn)生熔穿、駝峰焊道等缺陷。

與單旁路耦合電弧GMAW的旁路分流原理類似，雙旁路耦合電弧GMAW采用了兩個對稱的旁路GTAW焊槍，使得作用在熔滴表面力的分布更加平均，焊接過程更加穩(wěn)定。

圖1 旁路耦合電弧GMAW原理

雙絲旁路耦合電弧GMAW是對旁路耦合電弧焊的高效化改進(jìn)，它的旁路采用GMAW焊槍代替了GTAW焊槍，從而將旁路分流的部分電流重新用于熔化焊絲，進(jìn)一步提高了焊絲的熔敷率；并且由于旁路的分流作用，在實(shí)現(xiàn)高效焊接的同時，可以合理分配流經(jīng)母材的電流。雙絲旁路耦合電弧GMAW可適用于高速、高熔敷率的焊接、薄板焊接或是耐磨、耐蝕材料的堆焊[8]。但是由于雙絲旁路耦合電弧GMAW焊接參數(shù)匹配復(fù)雜，因此需要進(jìn)行智能控制算法才能保證焊接過程的穩(wěn)定性。

本研究提出了旁路耦合電弧脈沖GMAW方法，并將其成功應(yīng)用在鋁-鍍鋅鋼板、鎂-鍍鋅鋼板等異種金屬的連接上[9]。通過采用脈沖電源，旁路耦合電弧脈沖GMAW可以進(jìn)一步降低流經(jīng)母材的熱量，并在保持熔滴自由過渡下穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)異種金屬的連接。

2 旁路耦合電弧GMAW的數(shù)字化模擬和分析

2.1 雙旁路耦合電弧行為的數(shù)值模擬

在幾種旁路耦合電弧焊方法中，雙旁路耦合電弧的形態(tài)、熱場、電磁場、流場的分布等電弧特征行為最為復(fù)雜，使用全耦合法對雙旁路耦合電弧行為進(jìn)行了模擬和分析[10]：基于耦合電弧內(nèi)部的多場耦合原理，建立了旁路耦合電弧的數(shù)學(xué)模型并模擬不同焊接參數(shù)下旁路耦合電弧內(nèi)部的溫度場、流場分布情況。如圖2a所示，在主路焊接電流為180 A，左右旁路電流分別為70 A時，數(shù)字化模擬了雙旁路耦合電弧形態(tài)，模擬結(jié)果與圖2b中的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明采用的模擬算法適用于旁路耦合電弧GMAW。圖3、圖4分別模擬了在此焊接參數(shù)下，雙旁路耦合電弧GMAW過程中縱截面的溫度場、流場的變化情況，為進(jìn)一步研究耦合電弧行為提供了理論基礎(chǔ)。

2.2 旁路耦合電弧脈沖GMAW界面擴(kuò)散行為的數(shù)值模擬

圖2 雙旁路耦合電弧形態(tài)的模擬結(jié)果

圖3 雙旁路耦合電弧的縱截面溫度場的模擬結(jié)果

圖4 雙旁路耦合電弧的縱截面流場的模擬結(jié)果

鋁-鋼異種金屬焊接接頭的力學(xué)性能主要受連續(xù)的金屬間化合物層厚度的影響，而金屬間化合物的生成、分布及厚度主要由鋁-鋼界面處的溫度場決定。因此，在完成了耦合電弧溫度場、流場、電磁場的基礎(chǔ)上，首先模擬了工件溫度場的變化情況。由于現(xiàn)有的熱源模型不能完全反映旁路耦合電弧脈沖GMAW的熱源特點(diǎn)，因此建立了一個由面熱源和體熱源共同作用的復(fù)合熱源模型：面熱源的熱量只來自于主路電弧，即作用于面熱源的電流為母材電流；體熱源的熱量由主路電弧和旁路電弧共同提供，作用于體熱源的電流為母材電流與旁路電流之和。圖5a模擬了主路平均電流77 A，旁路平均電流55 A時，鋁-鋼工件焊縫截面處的溫度場；圖5b模擬了圖5a中A點(diǎn)和B點(diǎn)的熱循環(huán)曲線并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明A點(diǎn)和B點(diǎn)熱循環(huán)曲線的變化規(guī)律與試驗(yàn)得到的熱循環(huán)曲線變化規(guī)律是一致的。

圖5 旁路耦合電弧脈沖GMAW工件溫度場模擬

在模擬得到鋁-鋼界面處溫度場的基礎(chǔ)上，本研究采用菲克第二定律建立了鋁-鋼接頭界面處鋁鐵原子的擴(kuò)散模型，并模擬了擴(kuò)散層即鋁鐵金屬間化合物層的厚度生長情況。圖6為主路平均電流77A，旁路平均電流55 A時，鋁-鋼接頭界面上金屬間化合物層生長情況的模擬結(jié)果；圖7為該焊接參數(shù)下，金屬間化合物層厚度的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比驗(yàn)證。結(jié)果表明金屬間化合物層厚度隨焊接參數(shù)變化趨勢的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 雙絲旁路耦合電弧焊的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與焊接過程的智能化控制

3.1 雙絲旁路耦合電弧GMAW數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為方便進(jìn)行雙絲旁路耦合電弧GMAW試驗(yàn)，利用快速控制原型技術(shù)建立了如圖8所示的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括華意隆數(shù)字化逆變焊接電源NBC-630、單軸焊接工作臺及相應(yīng)的變頻器。電信號采集和控制信號輸出系統(tǒng)主要有兩臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成xPC的實(shí)時目標(biāo)環(huán)境，支持xPC的研華PCL-812PG數(shù)據(jù)采集卡，NIPCI-6221數(shù)據(jù)采集卡，研華PCL-728帶隔離的D/A數(shù)據(jù)輸出卡，PCLD-885固態(tài)繼電器，輔有CSM400FA系列的閉環(huán)電流傳感器，研華ADAM-3014標(biāo)準(zhǔn)電壓隔離模塊等。

圖6 金屬間化合物層生長情況

圖7 金屬間化合物層厚度的模擬與驗(yàn)證

圖8 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

3.2 雙絲旁路耦合電弧GMAW智能化控制

雙絲旁路耦合電弧GMAW過程中，兩路焊絲同時送進(jìn)與熔化，兩路焊炬間的焊接參數(shù)匹配較為復(fù)雜[11]。開環(huán)控制雙絲旁路耦合電弧穩(wěn)定性較差的原因是旁路電源采用恒電流源，電弧自調(diào)節(jié)作用差，焊接過程受到旁路送絲波動的干擾自恢復(fù)能力差，旁路電弧弧長波動使得旁路耦合電弧失穩(wěn)導(dǎo)致焊縫成形變差、焊接飛濺特別大?；谝陨戏治?，旁路耦合電弧穩(wěn)定性閉環(huán)控制的關(guān)鍵是穩(wěn)定旁路電弧弧長。因此，提出了如圖9所示的以主弧和旁路電弧電壓差值ΔU作為旁路電弧弧長反饋的特征參量，以旁路送絲速度作為控制量調(diào)節(jié)旁路電弧弧長的單閉環(huán)智能控制方案。

圖9 單閉環(huán)智能控制框圖

控制過程中采用模糊PID智能算法。模糊PID智能算法分為PID控制部分和模糊智能推理的參數(shù)校正部分。PID控制部分采用增量式PID算法；模糊智能推理算法采用雙輸入三輸出的模糊控制器，利用偏差e及偏差變化ec作為模糊控制器的語言輸入變量。

圖10為采用已建立的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用模糊規(guī)則進(jìn)行單閉環(huán)智能控制的焊接實(shí)驗(yàn)。由圖10a可知，電弧電壓差值受旁路送絲的影響比較大，當(dāng)旁路送絲變化比較大時，電弧電壓差值變化也比較大；從圖10b中的焊縫形貌中可以發(fā)現(xiàn)，采用模糊規(guī)則進(jìn)行單閉環(huán)控制后的焊縫形貌更好。

圖10 雙絲旁路耦合電弧GMAW單閉環(huán)智能控制

在穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，通過分析雙絲旁路耦合電弧GMAW過程中焊接參數(shù)間的耦合關(guān)系，進(jìn)一步提出了如圖11所示的通過旁路送絲速度控制旁路弧長，通過旁路電流控制母材電流的反饋解耦智能控制方案[12]。

圖11 雙閉環(huán)反饋解耦智能控制框圖

圖12為進(jìn)行雙絲旁路耦合電弧GMAW反饋解耦智能控制的焊接試驗(yàn)結(jié)果。由圖12a可知，旁路電流隨著主路電流的波動發(fā)生變化，從而抵消了母材電流的變化；由圖12b可知，通過旁路送絲速度控制旁路弧長，從而可以有效地保證焊接過程的穩(wěn)定，并且由于采用了解耦智能控制算法，當(dāng)旁路電流發(fā)生變化時，解耦智能控制單元補(bǔ)償了旁路電流對弧長的影響，使旁路弧長在更短的時間內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，減少了旁路弧長的變化對耦合電弧形態(tài)的影響，因此穩(wěn)定性更好并且精度更高、響應(yīng)速度更快；由圖12c可知，當(dāng)母材厚度發(fā)生變化時，由于采用了雙變量解耦控制，焊縫形貌較好。

圖12 雙絲旁路耦合電弧高效GMAW雙變量解耦控制

4 結(jié)論

（1）旁路耦合電弧GMAW工藝可以同時實(shí)現(xiàn)高焊絲熔敷率與低母材熱輸入的焊接，并顯著降低焊接過程中的電弧壓力，實(shí)現(xiàn)高速焊接與異種金屬間的焊接。

（2）針對雙旁路耦合電弧行為，采用全耦合方法，模擬了雙旁路耦合電弧形態(tài)、熱場、電磁場、流場的分布；模擬分析了鋁-鍍鋅鋼板旁路耦合電弧脈沖GMAW過程中，接頭界面上的原子擴(kuò)散行為。

（3）建立了雙絲旁路耦合電弧GMAW數(shù)字化控制系統(tǒng)，采用模糊智能控制算法進(jìn)行了單閉環(huán)控制試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，采用反饋智能解耦方案進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用解耦智能控制時，焊接過程穩(wěn)定性更好、響應(yīng)速度更快、精度更高，并且焊縫成形良好。

[1]石 玗，李 妍，黃健康，等.高效MIG/MAG焊的研究與發(fā)展[J].電焊機(jī)，2008，38(12)：6-10

[2]Mendez PF，Eager TW.Penetration and Defect Formation in High-Current arc Welding[J].Welding Journal，2003，82（10）：296-306

[3]Zhang Y M，Jiang M，LU W.Double electrodes GMAW improve heat input control[J].Welding Journal，2004，83（11）：39-41.

[4]LIK H，Chen JS，ZHANGY M.Double-electrode GMAW process and control[J].Welding Journal，2007，86（8）：231-237.

[5]LI Kehai，ZHANG Yuming.Metal transfer in double-electrode gas metal arc welding[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007，129（11）：991-999.

[6]SHIYu，LIUX，ZHANGY，et al.Analysis of metal transfer and correlated in fluence sin dual-bypass GMAW of aluminum[J].Welding Journal，2008（87）：229-236.

[7]黃健康，石 玗，樊 丁，等.雙旁路耦合電弧MIG焊熔滴過渡受力分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012,48（8）：44-48.

[8]石 玗，朱 明，樊 丁，等.雙絲旁路耦合電弧高效MIG焊方法及控制系統(tǒng)[J].焊接學(xué)報，2012，35（3）：17-20.

[9]石 玗，黃健康，樊 丁，等.基于旁路耦合電弧的鋁鋼MIG熔釬焊研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2011，47（16）：25-29.

[10]石 玗，黃健康，樊 丁.旁路耦合電弧焊溫度場模擬及驗(yàn)證[J].物理學(xué)報，2012，61（2）：1-7.

[11]朱 明，石 玗，樊 丁，等.雙絲旁路耦合電弧高效熔化極氣體保護(hù)焊過程模擬及控制[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012，48（10）：45-49.

[12]朱 明，石 玗，樊 丁，等.雙絲旁路耦合電弧高效熔化極氣體保護(hù)焊雙變量解耦控制模擬及試驗(yàn)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報，2012，48（22）：46-51.