脈沖電流差值對(duì)雙絲CO2焊影響

李鈺楨，彭燦燦，朱曉軍，岳海瑞，楊錦輝，薛家祥

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640;2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東火電工程總公司，廣東廣州510735)

0 前言

雙絲焊作為一種高效優(yōu)質(zhì)的焊接方法，它突破了單絲焊的速度瓶頸，克服了單絲高速焊的咬邊、駝峰焊道，焊縫成形差等缺陷;又充分利用脈沖焊臨界電流低，易實(shí)現(xiàn)射流過(guò)渡、易實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程精細(xì)控制的特點(diǎn)［1－2］;同時(shí)還發(fā)揮了雙絲焊兩個(gè)電弧間相互作用、互為補(bǔ)充的優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)際焊接領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［3－5］。

雙絲焊接過(guò)程中前絲電弧的焊接電流要大一些，以提供足夠的能量給母材。后絲電弧受到前絲電弧熱作用的影響，電流可以小一些，主要起填充熔池的作用［6－8］。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外雙絲焊接工藝?yán)碚撗芯亢蛯?shí)際應(yīng)用情況，利用自研制的雙絲數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)大量工藝實(shí)驗(yàn)，利用四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀，采樣電壓、電流，對(duì)電源進(jìn)行全面測(cè)試。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的電壓、電流波形圖和焊縫照片，對(duì)比分析不同電流差值下的焊接效果，進(jìn)一步對(duì)雙絲CO2焊的工藝參數(shù)進(jìn)行研究，找出雙絲電流差值對(duì)焊接效果的影響規(guī)律，得到雙絲CO2電流差值的最優(yōu)取值范圍。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本研究構(gòu)建的雙絲CO2焊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由以下部分組成:

(1)自研制的雙絲焊接電源;(2)電阻箱:調(diào)試主電路和測(cè)試電源外特性用;(3)工控機(jī);(4)保護(hù)氣體CO2;(5)雙絲送絲機(jī)構(gòu);(6)TDS2012B示波器:采集焊接電壓、電流波形;(7)自研制焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀:采集和記錄焊接過(guò)程中焊接電壓和電流波形。

測(cè)試設(shè)備包括:TDS2012B示波器、四通道小波分析儀、工控機(jī)。

使用的四通道焊接電弧動(dòng)態(tài)小波分析儀具有小波濾波的功能，能濾除采集過(guò)程中的干擾，提取所需波形信息。小波分析儀的四通道采樣頻率高達(dá)20 kHz，足以滿足焊接電流電壓的波形采集要求。

圖1 恒電壓靜態(tài)特性曲線

2.1 焊接電源靜態(tài)特性測(cè)試

在弧焊逆變電源內(nèi)部參數(shù)一定的情況下，改變電源負(fù)載時(shí)，電源輸出的電壓穩(wěn)定值Uo與輸出的電流穩(wěn)定值Io之間的關(guān)系曲線Uo=f(Io)，稱為弧焊逆變電源的靜態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)所測(cè)恒電壓17 V，24 V，30 V，35 V，40 V，50 V外特性曲線如圖1所示。由圖可知，本研究的雙絲逆變電源空載電壓為68 V，完全滿足MAG焊的起弧需要，電源具有良好的恒電壓外特性，符合CO2焊逆變電源的外特性要求。

2.2 焊接電源電氣性能測(cè)試

對(duì)在空載下電源的階躍響應(yīng)進(jìn)行了測(cè)試，如圖2所示。在帶負(fù)載情況下，電源的響應(yīng)迅速，電壓在2 ms內(nèi)上升至穩(wěn)定值，沒(méi)有過(guò)沖，迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，具有良好的動(dòng)特性。

3 雙絲CO2焊實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)行實(shí)際焊接測(cè)試，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的數(shù)字化焊接電源的性能。本課題設(shè)計(jì)的數(shù)字化雙絲焊接電源可以實(shí)現(xiàn)雙絲CO2焊的焊接，此處采用雙絲CO2焊對(duì)所設(shè)計(jì)的焊接電源進(jìn)行實(shí)際焊接測(cè)試。

圖2 電源階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性曲線

3.1 雙絲CO2焊接

參數(shù)組 1:焊接速度 0.5 m/min，φ1.2 的鋼焊絲，CO2氣體，氣流量18 L/min，焊絲干伸長(zhǎng)8 mm，堆焊，前絲平均電流80 A，后絲平均電流80 A。

使用參數(shù)組1進(jìn)行焊接，焊接過(guò)程穩(wěn)定，焊接聲音較柔和，飛濺較少，偶爾有輕微斷弧。焊縫成形均勻、美觀，有明顯的魚(yú)鱗紋，圖3為參數(shù)組1的焊接電流電壓波形及焊縫圖。實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的數(shù)字化雙絲焊接電源能夠很好地實(shí)現(xiàn)雙絲CO2焊接。

3.2 電流差值對(duì)焊接效果的影響分析

改變雙絲中前絲電流與后絲電流之間的差值，研究雙絲電流差值對(duì)焊接效果的影響規(guī)律。其中前絲電流大，后絲電流小。實(shí)驗(yàn)基本條件為:φ 1.0的鋼焊絲，CO2氣體，氣流量18 L/min，焊絲干伸長(zhǎng)8 mm，堆焊。

參數(shù)組2:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流105 A，后絲的平均電流87 A。電流相差18 A。

參數(shù)組3:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流121 A，后絲的平均電流93 A。電流相差28 A。

參數(shù)組4:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流117 A，后絲的平均電流82 A。電流相差35 A。

參數(shù)組5:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流136 A，后絲的平均電流89 A。電流相差47 A。

參數(shù)組2～參數(shù)組5的電壓、電流波形及焊縫照片分別如圖4～7所示。

焊接過(guò)程中，參數(shù)組2焊接過(guò)程中偶有斷弧，有少量飛濺，焊接聲音較小;參數(shù)組3焊接時(shí)聲音較柔和，斷弧極少，飛濺極少;參數(shù)組4焊接過(guò)程中聲音很柔和，無(wú)斷弧，飛濺極少，焊縫均勻，魚(yú)鱗紋明顯;參數(shù)組5焊接時(shí)爆斷較多，飛濺較大，時(shí)常斷弧。

圖3 雙絲CO2焊電壓、電流波形及焊縫照片

圖4 參數(shù)組2的電壓、電流波形及焊縫(焊接速度為0.38 m/min，電流差值為18 A)

圖5 參數(shù)組3的電壓、電流波形及焊縫(焊接速度為0.38 m/min，電流差值為28 A)

圖6 參數(shù)組4的電壓、電流波形及焊縫(焊接速度為0.38 m/min，電流差值為35 A)

參數(shù)組2中，雙絲的平均電流差距為18 A，參數(shù)組3中雙絲的平均電流差距為28 A，參數(shù)組4中雙絲的平均電流差距為35 A，參數(shù)組5中雙絲的平均電流差距為47 A。從焊縫質(zhì)量來(lái)看，參數(shù)組2焊縫質(zhì)量一般，參數(shù)組3的焊縫成形較好，參數(shù)組4的焊縫成形最好，而參數(shù)組5的焊縫成形質(zhì)量較差，呈現(xiàn)駝峰焊道。參數(shù)組2中雙絲電流差距較小，焊縫不太規(guī)則，呈現(xiàn)駝峰焊道;參數(shù)組3、參數(shù)組4中雙絲的平均電流差距在28 A至35 A之間，焊縫成形質(zhì)量較好;參數(shù)組5中雙絲電流差距較大，焊縫不連續(xù)。

4 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雙絲的平均電流差值在28～35 A焊接穩(wěn)定，焊縫效果好。

雙絲電流差值過(guò)小，焊縫不規(guī)則，呈現(xiàn)駝峰焊道;雙絲電流差值過(guò)大則焊縫不連續(xù)。

這是由于前絲電流大，提供足夠的熱量給母材，后絲插入由前絲電弧形成的熔池中，前絲多余的熱量來(lái)融化后絲，使母材的熱影響區(qū)變小，減少變形，改善焊縫成形。電流差值過(guò)小，熱影響區(qū)沒(méi)有變小，不能減少變形，影響焊縫成形;電流差值過(guò)大，后絲融化效果不好，導(dǎo)致焊縫不連續(xù)。

［1］ 殷樹(shù)言.高效弧焊技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.焊接，2006(10):7－14。

［2］ 王振民，黃石生，薛家祥.軟開(kāi)關(guān)雙絲脈沖熔化極活性氣體保護(hù)焊逆變電源［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，34(7):31 －34.

［3］ J.Tusek.Mathematical modeling of melting rate in twin－ wire welding［J］.Journal of materials processing technology，2000(100):250－256。

［4］ 左連發(fā).雙絲 MAG 焊工藝［J］.電焊機(jī)，2002，32(7):38－39.

［5］ 文元美，黃石生，吳開(kāi)源，等.脈沖雙絲 MAG焊接電流相位關(guān)系對(duì)成形的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2010，31(9):17－20.

［6］ Danut S.Electromagnetic interaction in two－wires MIG/MAG welding.IIW DOC.XII－212－944－ 99.

［7］ 姚 屏，薛家祥，馬前進(jìn)，等.雙絲MIG焊對(duì)稱過(guò)渡控制波形及其工藝［J］.焊接學(xué)報(bào)，2012，33(7):21－25.

［8］ 牛 永，薛海濤，李 桓，等.脈沖電壓峰值對(duì)雙絲脈沖MIG焊熔滴過(guò)渡及焊縫成形的影響［J］.焊接學(xué)報(bào)，2010，31(1):50 －54.