鋁合金后中值波電流焊接工藝研究

鋁合金后中值波電流焊接工藝研究*

朱強薛家祥?徐敏董昌文王磊磊恒功淳

(華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640)

摘要：一脈一滴的熔滴過渡被廣泛認為是脈沖熔化極惰性氣體保護焊中最好的過渡形式，通過在方波脈沖的峰值后增加一個后中值脈沖能有效增強熔滴過渡的可控性，提高焊接過程穩(wěn)定性和焊縫成形效果.文中利用小波分析儀采集焊接過程瞬時電流電壓信號，經(jīng)過分析得到電流-電壓分布概率和U-I圖，并將兩者與焊縫外觀相結合一起綜合評定焊接效果.1.2mm鋁合金ER4303焊絲焊接實驗表明：在平均電流不變的情況下，采用后中值脈沖波形焊接能明顯提高焊縫成形的質量，在焊縫表面形成規(guī)整的魚鱗紋；中值電流取值太小，控制熔滴過渡的作用不明顯，只是相當于增加了基值時間；取值太大，相當于增加了峰值時間，焊接過程不穩(wěn)定；后中值時間太短，能量積累不夠，不能控制熔滴過渡；時間太長容易造成熔滴過渡不規(guī)則，焊縫的魚鱗紋消失；后中值電流時間取值在6～10ms范圍內(nèi)，取值在強弱脈沖電流平均值左右時，焊接過程穩(wěn)定，焊縫魚鱗紋光亮、規(guī)整、美觀.

關鍵詞：鋁合金；脈沖熔化極惰性氣體保護焊；后中值波；電流波形控制

中圖分類號：TG444

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2015.03.003

文章編號：1000-565X(2015)03-0029-06

收稿日期：2014-09-15

基金項目：* 國家自然科學基金資助項目 (51375042)

作者簡介：左斌(1988-)，男，博士生，主要從事齒輪精密成形技術研究. E-mail: cezuobin@163.com

文章編號：1000-565X(2015)03-0021-08

收稿日期：2014-08-27

基金項目：* 粵港關鍵領域重點突破項目(2011BZ100012);南沙科技項目(2014CX07)

作者簡介：李偉光(1958-)，男，教授，博士生導師，主要從事制造過程計算機控制、旋轉機械振動與故障診斷等研究.E-mail: wguangli@scut.edu.cn

鋁合金是一種在制造業(yè)中廣泛使用的輕質合金材料，具有比重小、質量輕、強度高、抗腐蝕性好、回收再利用方便等特點.但是鋁合金材料的焊接困難問題一直是制約其廣泛使用的障礙，與傳統(tǒng)的黑色金屬材料相比，鋁合金有熱導率大、易氧化、材質較軟、熱強性低等特點，焊接過程中極易堵絲，焊塌陷和產(chǎn)生氣孔，其焊接方法一直是研究熱點[1].脈沖熔化極惰性氣體保護焊(PMIG)是一種可行的鋁合金焊接方法，它具有較寬的電流調節(jié)范圍，有利于實現(xiàn)全位置焊接，可有效控制焊接熱量輸入等特點，適合于熱敏感性強的鋁合金材料的焊接[2-4].

PMIG焊接有3種常見的熔滴過渡方式，分別是多脈一滴、一脈一滴和一脈多滴.其中一脈一滴的熔滴過渡形式電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫成型良好，被認為是最佳的焊接過渡方式[5-6].但由于熔滴過渡的過程復雜，受到液體表面張力、等離子流力、重力、斑點壓力以及具有收縮效應的電磁力等多種力的影響，同時焊接速度、保護氣成分等也對焊接過程有重要影響，想要去定量分析控制會非常困難，許多研究人員從多方面進行了大量的嘗試，取得了一些效果[7-14].有研究發(fā)現(xiàn)，當熔滴尺寸不大時，電流的大小對熔滴過渡的方式有重要的影響.從波形控制熔滴過渡的思想出發(fā)，焊接研究人員對后中值波控制方法進行了研究[15].和單脈沖方波相比，后中值波增加了中值電流Im和中值時間tm兩個參數(shù)，中值波階段用來增強熔滴過渡的可控性.在焊接過程中，峰值電流階段起到熔滴成長的作用，基值電流階段主要是維持電弧穩(wěn)定燃燒，中值階段是對熔滴過渡的控制.

焊接效果的好壞可以從焊接過程的穩(wěn)定性、飛濺大小、電弧聲和焊縫的成形等方面來判斷.瞬時電流電壓波形能反應出焊接過程的穩(wěn)定性；電弧電壓概率密度能反應弧長的穩(wěn)定性和熔滴過渡的規(guī)律性；電流概率密度和U-I圖能反應峰值能量的穩(wěn)定性.從上述研究方法出發(fā)，利用傳感器采集焊接過程中的瞬時電流電壓信號，再采用小波濾波去除高頻干擾，對信號分析處理后研究最佳焊接工藝參數(shù).

筆者在自行研制的基于DSP2808的脈沖MIG焊軟開關逆變電源上，通過軟件實現(xiàn)對焊接輸出電流的控制，針對后中值波形進行實驗，對電流波形參數(shù)對鋁合金焊接熔滴過渡的影響進行了研究.

1實驗平臺與參數(shù)

焊接實驗數(shù)據(jù)采集平臺包括變阻箱、研華PCL1800信號采集卡、研華610工控機、華威自動行走控制機構、電弧動態(tài)小波分析儀、行走速度記錄儀、脈沖MIG焊軟開關逆變電源和送絲機等設備.實驗條件為：1.2mm的鋁硅合金焊絲，型號為ER4043，分別在5mm和8mm的純鋁板上進行平板堆焊，保護氣為99.99%氬氣，氣體流量為15L/min，焊絲干伸長為15mm，焊接速度為0.65m/min；送絲速度根據(jù)實驗經(jīng)驗和起弧效果選取，采用等速送絲，焊接平均電流不同，送絲速度會有差異，隨著平均電流增大，送絲速度會變快.

實驗采用的波形如圖1所示，數(shù)據(jù)如表1所示，Ip為峰值電流，tb為基值時間，峰值時間tp為2ms，基值電流Ib為50A，實驗1、2、5、6的鋁合金板厚為8mm，其他實驗的鋁合金板厚為5mm.實驗1和2的焊接平均電流為125A，實驗3和4的焊接平均電流為113A.焊接過程都采用恒流焊接，通過編寫程序下載到逆變電源DSP控制芯片中控制焊接輸出電流的大小，焊接電壓由小波分析儀上的電壓傳感器實時采集獲取，程序中并沒有加以限定.采用不同板厚的鋁合金材料進行實驗是為了驗證后中值波在不同厚度材料下的焊接效果，實驗中的效果對比都是同種厚度板材間的對比.

圖1　后中值波形 Fig.1　Backward median waveform

表1實驗用焊接參數(shù)Table 1Welding parameters used in experiments

序號Ip/Atb/msIm/Atm/ms1350600235061254324040042404113653506125263506125872404113282404113109240411316102404721011240418010

2實驗結果分析

2.1中值階段對焊接質量的影響

通過實驗1-4，首先對脈沖MIG焊有無后中值階段的焊接過程進行了對比，焊縫效果如圖2所示.

(a)實驗1的焊縫

(b)實驗2的焊縫

(c)實驗3的焊縫

(d)實驗4的焊縫 圖2　有無后中值過渡階段焊縫效果對比 Fig.2　Comparison of seam appearances with and without backward median phase

從焊接過程和焊縫成形外觀上看，4組實驗的焊接過程都能順利完成，實驗1焊接過程有“噼啪”的雜音，有明顯飛濺發(fā)生，焊縫表面粘附了許多飛濺小顆粒，實驗3的焊接過程飛濺較少，但焊縫的熔寬不一致，有明顯的蛇形焊道，表面沒有魚鱗紋；而實驗2和實驗4的焊縫成形好，焊接過程平穩(wěn)，無斷弧短路，電弧聲較柔和，飛濺很少，且焊縫表面形成了明顯規(guī)整的魚鱗紋，表明增加了中值階段后，電流對熔池形成了有規(guī)律的攪動.

從采集的焊接過程電流電壓信號上看，實驗1-4都無短路和斷弧現(xiàn)象發(fā)生，但在相同峰值和基值脈沖參數(shù)情況下，無后中值過渡階段焊接過程的電壓穩(wěn)定性明顯不如有后中值過渡階段的實驗，如圖3所示.實驗3的電壓波動范圍比實驗4的大，而且有許多明顯的電壓跳躍點，在圖3(a)的6330～6350ms處有個明顯的跳躍點，說明實驗3的焊接過程不如實驗4的穩(wěn)定.在電壓跳躍點處，熔滴過渡形式發(fā)生了突變，存在大滴過渡行為，因此才會有電壓的突變.實驗4焊接過程穩(wěn)定，電壓變化有規(guī)律，重復性好.

(a)放大的實驗3電壓波形圖

(b)放大的實驗4電壓波形圖 圖3　有無后中值過渡階段電壓波形對比 Fig.3　Comparison of voltage waveforms with and without backward median phase

把小波分析儀采集到的電流和電壓信號分析處理后如圖4所示.從圖4(a)可以看出，實驗3 明顯的電壓跳躍點即圖中獨立的凸起點有7個.圖4(b)的電壓概率分布曲線連貫并且集中，說明實驗4焊接過程穩(wěn)定，電壓波動范圍較小.圖3(b)和圖4(a)中出現(xiàn)電壓跳躍點說明焊接過程中熔滴過渡形式不穩(wěn)定，焊接過程不平穩(wěn)，在平均焊接電流一樣的情況下，采用后中值波電流焊接沒有明顯的電壓跳躍點，說明后中值波焊能明顯改善熔滴過渡的不穩(wěn)定性.圖4(c)電流概率分布曲線有2個尖峰，對應于實驗3脈沖電流的峰值240A和基值50A，圖4(d)電流概率分布曲線有3個尖峰，對應于實驗4脈沖電流的峰值240A、中值113A和基值50A.從概率分布圖上看出，兩個實驗焊接過程均無短路和斷路情況發(fā)生.

U-I圖是電壓-電流分布圖，可以用來反映焊接過程的穩(wěn)定性，直觀地對焊接動態(tài)過程進行分析評定.圖4(e)由圖4(a)和圖4(c)組合而成，圖4(f)由圖4(b)和4(d)組合而成.圖4(f)比圖4(e)的邊緣線族清晰、整齊，分布更為集中，說明實驗4的焊接過程穩(wěn)定性更好.

通過實驗4采集的數(shù)據(jù)可以把焊接過程描述為，熔滴在峰值階段逐漸長大，當電流由峰值轉換到較小的過渡電流時，過渡電流的電磁力促使熔滴在后中值階段長大脫落，達到一脈一滴的過渡效果.通過調節(jié)過渡電流的參數(shù)，能使熔滴過渡過程可控.上述實驗對比說明后中值過渡階段能有效控制熔滴過渡過程，改善焊縫成形.

2.2中值時間變化對焊接過程的影響

保持其他參數(shù)不變，研究中值時間tm的變化對焊接效果的影響，結果見圖5.實驗5的焊接過程和焊縫效果和實驗1類似，實驗7的焊接過程和焊縫效果和實驗3類似，飛濺較多.說明2ms的中值時間太短，沒有起到熔滴過渡的作用，焊縫表面沒有美觀的魚鱗紋.實驗6、8和9的焊接過程都比較平穩(wěn)，飛濺很少，采集的電流電壓波形規(guī)整，重復性好，無斷弧和短路現(xiàn)象發(fā)生.從這3個實驗焊縫外觀看出，焊縫表面都光滑，但中值時間越長，焊縫外觀的魚鱗紋越不明顯，焊縫成形越差，tm=16ms時，焊縫熔寬不一致，形成了蛇形焊道.

分析不同后中值時間對焊縫成形的影響可知，當后中值時間較短時，中值階段的能量較小，熔滴來不及脫落，導致不會在一個脈沖周期過渡，當能量積累到下一個脈沖后熔滴變大，形成多脈一滴的大滴過渡，在送絲速度不變的情況下，必然造成熔滴過渡的不規(guī)律，焊縫熔寬不一致，成形不好，焊接過程不穩(wěn)定，飛濺大.

(a)實驗3的電壓概率分布

(b)實驗4的電壓概率分布

(c)實驗3的電流概率分布

(d)實驗4的電流概率分布

(e)實驗3的 U- I圖

(f)實驗4的U-I圖 圖4　有無后中值過渡階段的電流電壓概率分布及U-I圖對比 Fig.4　Comparison of current and voltage probability distributions and U-I photos with and without backward median phase

(a)實驗5的焊縫( t m=2ms)

(b)實驗6的焊縫( t m=8ms)

(c)實驗7的焊縫( t m=2ms)

(d)實驗8的焊縫( t m=10ms)

(e)實驗9的焊縫(t m=16ms) 圖5　不同后中值時間的焊縫效果對比 Fig.5　Comparison of seam appearances with different backward median time

當后中值時間合適時，峰值階段已經(jīng)開始長大的熔滴能夠在后中值階段獲得足夠的能量繼續(xù)長大，并在該階段電磁力的作用下過渡到熔池，然后進入基值的維弧階段.此時焊接過程穩(wěn)定，重復性好，電弧聲柔和，電流電壓波形整齊，焊接質量較好，焊縫表面有規(guī)整的魚鱗紋.

當后中值時間過長時，相當于增加了峰值時間，第1個熔滴在該階段過渡后，第2個熔滴在該階段長大，能量足夠的情況下也會產(chǎn)生過渡，能量不夠時會到基值階段過渡或者到下一個峰值階段過渡，這樣就會導致熔滴過渡的不規(guī)則性.熔滴可能在峰值過渡，中值過渡或者是基值過渡，每個脈沖可能有數(shù)量不等、大小不一的多個熔滴過渡到熔池.過長的中值時間也會造成單位時間鋁板的線能量輸入少，造成熔滴滴落后不能有效鋪展開.實驗結果顯示，中值時間取在6～10ms之間，焊縫成形效果較好，魚鱗紋規(guī)整.

2.3中值電流變化對焊接過程的影響

保持其他焊接參數(shù)不變，改變后中值過渡電流大小，研究后中值電流變化對焊接過程的影響.從實驗8、10和11的焊接效果(見圖5、6)和電流電壓波形(見圖7)來看，中值電流大小取值在強脈沖和弱脈沖電流平均值附近時，焊接過程穩(wěn)定，電流電壓波形工整，無斷弧短路現(xiàn)象發(fā)生，焊縫效果美觀，如圖5(d)和圖7(a)所示.中值電流太小和太大，焊接過程都不穩(wěn)定，焊接效果也不好.圖6(a)和圖6(b)分別是中值電流Im為72A和180A時的焊縫效果.中值電流太小，中值階段能量積累不夠，熔滴過渡形式不穩(wěn)定，焊接速度0.65m/min相對過快，焊縫明顯不連貫，電流電壓波形如圖7(b)所示；中值電流太大，焊縫熔寬太寬，余高過高，電流電壓波形如圖7(c)所示.

從實驗效果看，當中值電流合適時，熔滴會在中值階段過渡到熔池中，達到一脈一滴的效果.當中值電流較小時，中值階段能量積累小于射流過渡的臨界值，在該階段不會進行熔滴過渡，等電流經(jīng)過基值階段上升到峰值階段時，在峰值階段大電流電磁力作用下，熔滴發(fā)生過渡，此時的后中值階段起著熔滴成長的作用.如果中值電流繼續(xù)減小，中值階段就會失去作用，相當于增加了基值時間，如果峰值參數(shù)設置不合適，就會導致多脈一滴的大滴過渡.從實驗效果看，中值電流取值區(qū)間在強弱脈沖電流平均值附近時，焊縫成形效果都較好.

(a)實驗10 的焊縫( I m=72A)

(b)實驗11 的焊縫(I m=180A) 圖6　不同后中值電流大小的焊縫效果對比 Fig.6　Comparison of seam appearances with different median currents

(a)實驗8的電流電壓波形( I m=113A)

(b)實驗10的電流電壓波形( I m=72A)

(c)實驗11的電流電壓波形(I m=180A) 圖7　不同后中值電流的電流電壓波形 Fig.7　Current and voltage waveforms with different backward median currents

3結論

(1)單脈沖增加后中值波階段能有效地控制熔滴過渡的效果，明顯提高焊接過程穩(wěn)定性和焊縫質量.通過小波分析儀提取的瞬時電流電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過分析得到的U-I圖、電流電壓概率分布圖能有效地對焊接過程進行評價.

(2)后中值電流的大小和后中值時間的大小對焊縫成形效果影響都比較大；用1.2mm的鋁硅合金ER4043焊絲焊接，當后中值時間為6～10ms，后中值電流大小取值在強弱脈沖電流平均值附近時，焊接過程穩(wěn)定，飛濺較少，焊縫魚鱗紋明顯、規(guī)整.

參考文獻:

[1]魏仲華,龍鵬,薛家祥.正弦波脈沖MIG焊鋁的正弦振幅參數(shù)調控 [J].華南理工大學學報：自然科學版,2012，40(5):7-12.

Wei Zhong-hua，Long Peng,Xue Jia-xiang.Regulation of sinusoidal swing parameters in aluminum welding using sinusoidal pulsed MIG welding [J].Journal of South China University of Technology：Natural Science Edition,2012，40 (5):7-12.

[2]殷樹言.氣體保護焊工藝基礎 [M].北京:機械工業(yè)出版社，2012:376-382.

[3]姚屏,薛家祥,蒙萬俊，等.工藝參數(shù)對鋁合金雙脈沖MIG焊焊縫成形的影響 [J].焊接學報,2009，30(3):69-72,116-117.

Yao Ping,Xue Jia-xiang,Meng Wan-Jun,et al.Influence of processing parameters on weld forming in double pulse MIG welding of aluminum alloy [J].Transactions of the China Welding Institution,2009，30 (3):69-72,116-117.

[4]Mohanty H K,Mahapatra M M,Kumar Pradeep,et al.Predicting the effects of tool geometries on friction stirred aluminium welds using artificial neural networks and fuzzy logic techniques [J].International Journal of Manufacturing Research,2013, 8(3):296-312.

[5]Subramaniam S,White D R,Jones J E,et al.Droplet transfer in pulsed gas metal arc welding of aluminum [J].Welding Journal (Miami,Fla),1998，77(11):458-464. S,White D R,Jones J E,et al.Droplet transfer in pulsed gas metal arc welding of aluminum [J].Welding Journal (Miami,Fla),1998，77(11):458-464.

[6]Murphy A B.Influence of droplets in gas-metal arc welding:new modelling approach,and application to welding of aluminium [J].Science and Technology of Welding and Joining,2013,18(1):32-37.

[7]Ghosh P K,Dorn L,Kulkarni S,et al.Arc characteristics and behaviour of metal transfer in pulsed current GMA welding of stainless steel [J].Journal of Materials Processing Technology,2009，209(3):1262-1274.

[8]Kozakov R,G?tt G,Sch?pp H,et al.Spatial structure of the arc in a pulsed GMAW process [J].Journal of Phy-sics D:Applied Physics,2013,46(22)：1-13.

[9]Yoganandh J,Kannan T,Kumaresh Babu S P，et al.Optimization of GMAW process parameters in austenitic stainless steel cladding using genetic algorithm based computational models [J].Experimental Techniques,2013，37(5):48-58.

[10]Sathiya P,Ajith P M,Soundararajan R.Genetic algorithm based optimization of the process parameters for gas me-tal arc welding of AISI 904 L stainless steel [J].Journal of Mechanical Science and Technology,2013，27(8):2457-2465.

[11]Devakumaran K,Rajasekaran N,Ghosh P K.Process characteristics of inverter type GMAW power source under static and dynamic operating conditions [J].Materials and Manufacturing Processes,2012，27(12):1450-1456.

[12]Song G，Wang P.Pulsed MIG welding of AZ31B magnesium alloy [J].Materials Science and Technology,2011，27(2):518-524.

[13]Li Z,Srivatsan T S,Zhao H，et al.On the use of arc radiation to detect the quality of gas metal arc welds [J].Materials and Manufacturing Processes,2011,26(7):933-941.

[14]Ramazani A,Mukherjee K,Abdurakhmanov A,et al.Micro-macro-characterisation and modelling of mechanical properties of gas metal arc welded (GMAW)DP600 steel [J].Materials Science & Engineering A，2014，589(1):1-14.

[15]Zhu Q,Xue J X,Zhang X L,et al.Studies on backward median current waveform control research in pulsed MIG welding [C]∥Proceedings of 4th International Confe-rence on Materials Science and Information Technology.Tianjin:Trans Tech Publications Ltd,3140-3144.

AProbeintoBackwardMedianCurrentWaveformWeldingof

AluminumAlloys

Zhu QiangXue Jia-xiangXu MinDong Chang-wenWang Lei-leiHeng Gong-chun

(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)

Abstract:“One droplet per pulse” is widely regarded as the best droplet transfer mode for pulsed metal inert gas welding. A peak pulse followed by median pulse in a square wave pulse can enhance the controllability of droplet transfer effectively and improve welding stability as well as seam appearance. In this paper, firstly, instantaneous current and voltage signals were acquired by using a wavelet analyzer. Secondly, current-voltage distribution probability and U-I graphs were obtained by analysis, which were then combined with seam appearance to assess the welding efficiency. Experimental results on 1.2-mm ER4043 aluminum alloy welding wire show that (1) at the same average current, the adoption of median waveform helps improve the welding quality significantly and form uniform scaly ripples on seam surface; (2) too small median current has no obvious effect on droplet transfer, and only an increase of base current is observed; (3) too large median current results in instability of welding process, and only an increase of peak current is observed; (4) if the median time is too short, the accumulated energy is not enough to control droplet transfer; if the median time is too long, irregular droplet transfer appears and scaly ripples disappear; and (5) a backward median time ranging from 6 to 10ms as well as a current value varying around the mean of peak current and base current may result in stable welding process and bright scaly ripples with excellent regularity and good appearance.

Keywords：aluminumalloys;pulsedmetalinertgaswelding;backwardmedianwaveform;currentwaveformcontrol

Foundationitem:SupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(NSFC) (51375042)

?通信作者： 王寶雨(1964-)，男，研究員，主要從事塑性成形制造技術研究.E-mail:bywang@ustb.edu.cn

Foundation item: Supported by the Projects of Key Areas in Guangdong and Hong Kong(2011BZ100012)