雙絲脈沖MAG 焊的焊接穩(wěn)定性

丁雪萍，李 桓，楊立軍，高 瑩

(1. 天津大學天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點試驗室，天津 300072；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

雙絲脈沖 MAG 焊將雙絲 MAG 焊和脈沖焊有機地結(jié)合起來，是一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接方式，但是由于焊接過程中兩電弧之間電磁場的相互干擾，存在焊接穩(wěn)定性較差的問題，至今對該方面的研究較少．所謂焊接穩(wěn)定性主要指焊接電弧的性能，理想的焊接電弧主要具有以下特征：穩(wěn)定的熔滴過渡、恒定的電弧弧長以及無短路飛濺．電弧不穩(wěn)定會造成斷弧、飛濺、熔滴過渡異常等問題．另外，兩電弧之間的相互作用會引起電弧電壓波動，因而由弧焊電源控制的電弧弧長不穩(wěn)定導致焊縫成形較差．因此保證焊接過程的穩(wěn)定性對于獲得良好的熔滴過渡和焊縫成形意義重大[1-5]．

基于上述分析，筆者設計了前后絲沿焊接方向間距和后絲脈沖峰值電壓對焊接過程穩(wěn)定性影響的試驗，利用LabVIEW 信號采集系統(tǒng)同步采集了焊接過程中焊接電流和電弧電壓波形，同時利用高速攝像系統(tǒng)同步拍攝電弧形態(tài)和熔滴過渡情況，旨在分析電弧穩(wěn)定性的影響因素，以提高雙絲脈沖MAG 焊的焊接穩(wěn)定性．

1 焊接系統(tǒng)

焊接時選用母材為Q235 低碳鋼、直徑為1.2,mm的H08Mn2SiA 焊絲，保護氣體為80%Ar＋20%CO2(體積分數(shù))，氣體流量20,L/min，采用平板堆焊．試驗過程中焊接電源為林肯INVERTEC V350-PRO(焊機1)和林肯INVERTECTMV300-I(焊機2)．其中焊機1 只要給定預設值，即自動輸出脈沖形式電流；焊機2 由于不具備此種能力，在原有的天津大學自行開發(fā)研制的脈沖協(xié)調(diào)控制器[6]基礎上增加電路控制焊機2 輸出具有同焊機1 同頻率的脈沖模式焊接電壓，并且其脈沖電壓的峰值、基值均可調(diào)節(jié)．焊接過程中前絲由焊機1 控制，后絲由焊機2 控制．試驗中建立焊接電流、電壓采集和高速攝像采集同步系統(tǒng)，其中電信號采樣頻率為500,kHz，高速攝像拍攝頻率是1,000 幀/s．整體試驗設備連接情況如圖1 所示．

圖1 試驗設備連接示意Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus arrangements

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 雙絲間距對穩(wěn)定性的影響

在研究雙絲沿焊接方向間距對焊接穩(wěn)定性的影響試驗中，設 D 為兩焊絲間距，其中 D 分別為12,mm、20,mm、30,mm 的焊接參數(shù)和焊接電流波形分別如表1 和圖2 所示．

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding parameters

圖2 不同焊絲間距的焊接電流波形Fig.2 Waveform of welding current at different twin-electrode distances

觀察圖2 并結(jié)合高速攝像圖片和焊縫照片發(fā)現(xiàn)，雙絲間距D＝12,mm 時，在0.5,s 內(nèi)出現(xiàn)3 次短路，熔滴過渡基本穩(wěn)定，有少量的短路飛濺；D＝20,mm 時，由于后絲產(chǎn)生斷弧，在0.5,s 內(nèi)斷弧時間長達0.11,s，導致熔滴過渡不穩(wěn)定，焊縫成形斷續(xù)；D＝30,mm 時，焊接電流和電弧電壓波形基本無變化，熔滴過渡穩(wěn)定，無短路飛濺．由圖2 可知，一般都是后絲焊接電信號穩(wěn)定性較差，選取后絲一個周期內(nèi)電流峰值為表征參量對其進行方差(R2)分析．方差常用來衡量一組數(shù)據(jù)中隨機變量和其數(shù)學期望(即均值)之間的偏離程度，方差越大，說明數(shù)據(jù)的波動越大，越不穩(wěn)定．方差的定義為

式中：R2為方差；n 為數(shù)據(jù)的個數(shù)；x1，x2，…，xn為數(shù)據(jù)的值；μ 為數(shù)據(jù)平均值．

經(jīng)計算可得，當雙絲間距D＝12,mm 時，后絲一個周期內(nèi)電流峰值方差R2＝77.000,13；當D＝20,mm時，方差R2＝129.881,5；當D＝30,mm 時，方差R2＝10.432,66．所以可以說明D＝20,mm 時穩(wěn)定性最差，而且D 越大穩(wěn)定性越好．同時分別以D＝12,mm、20,mm、30,mm 為間斷點考察不同間距范圍內(nèi)電弧穩(wěn)定性的差異，大致發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：雙絲間距控制在12,mm 以內(nèi)或30,mm 以外時，焊接穩(wěn)定性較好，在20,mm 左右處焊接穩(wěn)定性較差．

分析認為兩電弧所受的電磁力是產(chǎn)生這些現(xiàn)象的主要原因．在雙絲焊過程中，當兩焊絲均垂直焊件放置時，可將兩電弧近似看作兩平行帶電體．電弧的本質(zhì)為等離子體，是帶電的流體，則根據(jù)磁流體力學和焊接電弧物理理論，當兩個平行電弧的電流方向相同時，相互之間產(chǎn)生吸引，其相互作用力如圖3 所示，該力可通過洛倫茲定律推導得到，即

式中：F 為洛倫茲力；J 為電流密度矢量；B 為磁感應強度矢量[7]．

結(jié)合式(2)并做相應的簡化，則前絲電弧在D 處產(chǎn)生磁感應強度為

作用在后絲上洛倫茲力[8]為

式中：μ0為真空磁導率；IL和IT分別為前、后絲焊接電流；L 為后絲電弧弧長．

圖3 兩電弧間電磁力示意Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic force acting on two arcs

由式(4)可知，所受的電磁力與雙絲的電流乘積成正比，與雙絲間距成反比．理論上來說，隨著雙絲間距的減小，兩電弧間電磁力變大，電弧偏轉(zhuǎn)加劇，穩(wěn)定性變差．但是試驗中發(fā)現(xiàn)D＝12,mm 時焊接穩(wěn)定性良好，為究其原因，對D＝12,mm 時高速攝像進行了分析，如圖4 所示．高速攝像圖片和電流波形圖是一一對應的，左邊電弧對應后絲電弧，右邊電弧對應前絲電?。Y(jié)合電流波形圖和高速攝像圖片分析，第1～5 時刻，前絲處于基值電流，約為80,A，僅維持電弧燃燒，同時為預熱焊絲和母材提供一定的能量，電弧較暗，電弧亮度基本不變；后絲處于峰值電流上升階段，電流從120,A 逐漸增大為220,A，電弧越來越亮，且此時可觀察到后絲端部已有熔滴形成．第6時刻，對應前絲脈沖電流上升段，電弧變亮，焊絲端部有熔滴形成；后絲處于脈沖峰值電流時刻，電弧很亮．第7 時刻，前后絲同時處于脈沖峰值電流時刻，電弧最亮；兩電弧之間的電磁力最大，前絲電流約為350,A，后絲電流約為220,A，前后絲電弧等離子體均發(fā)生膨脹和偏轉(zhuǎn)且被拉長，兩電弧根部有接觸．前絲電弧因為電流相對較大導致在電弧頂端電流密度大，相應的有較大的電磁收縮力，而該力產(chǎn)生較強的等離子流，保證電弧較好的軸向性，電弧穩(wěn)定；后絲電弧根部向上發(fā)生明顯彎曲．因為在洛倫茲力作用下，后絲電弧徑向分力增加，電弧有向右側(cè)偏轉(zhuǎn)的趨勢，同時可發(fā)現(xiàn)后絲電弧在力的作用下近乎水平，則冷空氣氣流從其左側(cè)進入，對電弧產(chǎn)生對流冷卻的作用，進一步迫使電弧導電通道向上彎曲，而電弧內(nèi)熱傳導和電阻熱又阻礙電弧偏轉(zhuǎn)，最終導致電弧的不穩(wěn)定．第8、9 時刻，隨著兩電弧電流下降，相互作用力減小，后絲電弧偏轉(zhuǎn)程度漸漸減弱．第10 時刻，前絲熔滴在電弧包圍之中脫離焊絲，后絲焊絲端部明顯看到有大顆熔滴懸掛．觀察發(fā)現(xiàn)，盡管在D＝12,mm 時，根據(jù)式(4)兩電弧之間洛倫茲力很大，電弧偏轉(zhuǎn)程度強，但因為雙絲間距小形成同一熔池，保證在電弧根部依然享有公共的電弧放電通路，避免了因為電弧過度偏轉(zhuǎn)引起的斷弧現(xiàn)象．在D＝20,mm 時，兩電弧處于由共熔池向分離熔池過渡階段，在電磁力作用下電弧偏轉(zhuǎn)但兩電弧根部未能形成電弧放電通路，因此斷?。贒＝30,mm 時，間距大使兩電弧分屬不同熔池，彼此影響小，穩(wěn)定性較好．

圖4 D＝12,mm 時高速攝像圖片和電流波形Fig.4 Waveform of welding current and high-speed photography when D＝12,mm

2.2 峰值電壓對穩(wěn)定性的影響

由2.1 節(jié)可知，兩焊絲間距D 選定為12,mm 時，焊接穩(wěn)定性良好，因此在研究后絲預設峰值電壓UTP對穩(wěn)定性的影響時，選定D＝12,mm．焊接參數(shù)參照表1，其中改變后絲預設峰值電壓UTP為29.5,V、32.5,V 和36.5,V，其他焊接參數(shù)不變．采用考察前絲電弧電壓功率譜的方式研究改變UTP對焊接過程穩(wěn)定性的影響，結(jié)果如圖5 所示，圖中橫坐標ω為信號頻率，縱坐標S(ω)為頻譜幅值的平方．為判定焊接過程穩(wěn)定性，采用頻譜分析的方法分析采集電信號中各次諧波頻率成分分布情況以及各諧波能量大小和延遲信息，從而更加全面地分析信號特征，而從傳感器采集的電信號是離散的時間信號，僅在采樣時刻有定義．要做頻譜分析必須將時域信號變換為頻域信號，可以用離散傅里葉變換的方法．傅里葉變換簡單理解就是把看似雜亂無章的信號考慮成由一定振幅、相位、頻率的基本正弦(余弦)信號組合而成，傅里葉變換的目的就是找出這些基本正弦(余弦)信號中振幅較大(能量較高)信號對應的頻率，從而找出雜亂無章的信號中的主要振動頻率特點．離散傅里葉變換將信號的時域采樣變換為在離散時間傅里葉變換頻域采樣．離散傅里葉變換 ()Fω是頻域范圍采樣序列的函數(shù)，即

式中：N 為采樣個數(shù)；T 為采樣時間．

采樣頻率可表示為

F(ω)絕對值定義為頻譜幅值，其平方用S(ω)表示，稱其為功率譜，可以用來描述信號功率在頻率域分布情況[9-10]．

圖5 前絲電弧電壓功率譜Fig.5 Energy spectra of arc voltage of leading wire

由圖5 可知，經(jīng)過頻譜分析之后，從上述焊接過程的功率譜曲線可以明顯看到信號中出現(xiàn)93.5,Hz、187.0,Hz 和280.5,Hz 3 個譜峰，比較幅頻值大小可以發(fā)現(xiàn)，信號主要是由93.5,Hz 正弦信號構(gòu)成，通過分析該部分焊接試驗前絲對應的電信號波形圖可得電壓信號頻率約為93,Hz，和功率譜分析基本一致．分別比較圖5(a)、圖5(b)和圖5(c)，發(fā)現(xiàn)圖5(a)和圖5(c)中即后絲峰值電壓UTP＝29.5,V 和UTP＝36.5,V時，除了有93.5,Hz、187.0,Hz 和280.5,Hz 3 個主頻率的信號以外還有20,Hz 以下的噪聲信號；圖5(b)中只是存在主頻率信號．說明前絲在焊接過程中當UTP＝32.5,V 時焊接穩(wěn)定性較好，UTP＝29.5,V 和UTP＝36.5,V 時焊接過程不穩(wěn)定．針對該部分試驗前絲的電信號分析確實發(fā)現(xiàn)存在上述情況，說明利用功率譜是可以實現(xiàn)對焊接穩(wěn)定性評價分析的．對后絲的電信號進行分析，發(fā)現(xiàn)后絲電弧行為存在以下特征：UTP＝32.5,V 時電弧穩(wěn)定性較好；UTP＝29.5,V 時易產(chǎn)生短路現(xiàn)象；UTP＝36.5,V 時有斷弧現(xiàn)象．究其原因，當UTP＝29.5,V 時，盡管前后絲在同一熔池，但是后絲電壓偏低極有可能碰觸到前絲形成的焊道，導致短路，電弧不穩(wěn)定；當UTP＝36.5,V 時，由于弧壓偏高、弧長較長，電弧會發(fā)生劇烈擺動，會有斷弧產(chǎn)生，使電弧穩(wěn)定性變差．綜上所述，說明后絲峰值電壓預設為32.5,V 時焊接穩(wěn)定性較好．

3 結(jié) 論

(1) 選取后絲一個周期內(nèi)電流峰值為表征參量對其進行方差分析，結(jié)果表明雙絲脈沖MAG 焊中雙絲間距控制在12,mm 以內(nèi)或30,mm 以外時，焊接穩(wěn)定性較好；在20,mm 左右處于由共熔池向分離熔池過渡階段，易發(fā)生斷弧，焊接穩(wěn)定性差．這主要由兩電弧之間的洛倫茲力的作用所引起．

(2) 利用離散傅里葉變換的方法對雙絲脈沖MAG 焊過程電信號進行了功率譜分析，研究了后絲預設峰值電壓對焊接過程穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)后絲峰值電壓預設為32.5,V 時焊接穩(wěn)定性較好，偏小易發(fā)生短路，偏大有斷弧現(xiàn)象發(fā)生．

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