GMAW的波形控制技術

廣西機電職業(yè)技術學院(南寧市 530007)

葉克力

山東大學現(xiàn)代焊接技術研究所(濟南市 250061)

張國凱

中車貴陽車輛有限公司(550017)

趙 文

GMAW的波形控制技術

廣西機電職業(yè)技術學院(南寧市 530007)

葉克力

山東大學現(xiàn)代焊接技術研究所(濟南市 250061)

張國凱

中車貴陽車輛有限公司(550017)

趙 文

在焊接生產(chǎn)中應用廣泛的GMAW，其在飛濺、焊縫成形質(zhì)量等方面尚存在一些局限。通過控制焊接電流波形來改善GMAW的熔滴過渡，實現(xiàn)對GMAW焊接性能的擴展與質(zhì)量的提升。引入熔滴過渡“類型”的概念，對波形控制下的熔滴過渡進行了分類，并闡述了不同波形控制下熔滴過渡類型其特點與應用。最后指出波形控制技術在拓寬GMAW的應用上有著不可替代的作用，且尚具有較大的發(fā)展空間。

GMAW 波形控制 熔滴過渡

0 序 言

作為一種靈活方便、優(yōu)質(zhì)高效、適應性強的焊接方法，GMAW(Gas metal arc welding) 在現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中應用廣泛，是焊接生產(chǎn)中最重要的焊接手段之一。它既可以采用氬、氦等惰性氣體焊接鋁等有色金屬材料，也可以采用活性混合氣體甚至純CO2焊接不銹鋼、高強鋼和低碳鋼等鋼鐵材料。尤其是各種不同成分與配比混合氣體的使用，并配合采用不同的熔滴過渡形式，使GMAW獲得對各種材料及其焊接要求較好的適應性。然而，由于傳統(tǒng)GMAW自身尚存在的一些局限，熔滴過渡通常只能使用短路、細滴以及噴射/脈沖噴射幾種形式，或飛濺嚴重，或熱輸入過大，或焊縫成形欠佳，一定程度上限制了其應用的拓展及潛力的發(fā)揮。

20世紀90年代后，隨著逆變技術尤其是數(shù)字技術在焊接上推廣應用，對GMAW的熔滴過渡進行實時、精確控制成為可能，特別是過去很多單純由硬件尚難以實現(xiàn)的控制功能，現(xiàn)在能方便地通過軟件實現(xiàn)并且效果更好。通過波形控制和其它技術手段的輔助，先后產(chǎn)生了表面張力過渡(Surface tension transfer)、雙脈沖(Double pulse)、冷金屬過渡(Cold metal transfer)以及超脈沖(Super pulse)等一系列新的焊接電流控制波形及其熔滴過渡，克服了傳統(tǒng)GMAW存在的飛濺大、焊縫成形差等缺點，使其對各種材料及不同焊接要求具有更精準的適應性，極大地擴展了GMAW的應用范圍并使焊接效果更佳。波形控制技術已成為近十多年來GMAW發(fā)展最活躍的領域之一。

文中就最近十多年來GMAW波形控制下熔滴過渡技術的發(fā)展作介紹和總結，以為這些新技術的應用提供參考，并對其發(fā)展作出展望。

1 對GMAW波形控制熔滴過渡的分類

按IIW的規(guī)定，熔滴過渡分為自由過渡、搭橋過渡和渣保護過渡三種形式(mode)[1-2]。與應用于TIG的波形控制不同，GMAW的波形控制通常會影響到熔滴過渡的行為。從筆者目前所掌握的資料，包括各種波形控制的文字、原理圖和波形圖描述，以及熔滴過渡的高速攝影視頻來看，文中所討論的熔滴過渡，從本質(zhì)特征上看，仍未超出以上三種形式的范疇。但為了與傳統(tǒng)的熔滴過渡相區(qū)別，特別是方便對那些一個電流周期內(nèi)前后兩個半周采用不同熔滴過渡形式的“組合過渡”進行描述，文中引入“熔滴過渡類型(type)”的概念，把這些經(jīng)過改進的熔滴過渡形式及其組合統(tǒng)稱為“熔滴過渡類型”。

因此，文中所討論的GMAW波形控制熔滴過渡類型，大致可以分為三類：①受控短路過渡；②受控噴射過渡；③組合過渡。

2 GMAW波形控制的類型

2.1 受控短路過渡

到目前為止，受控短路過渡對短路過程的控制分為兩條途徑：一為完全通過電流波形的調(diào)制來實現(xiàn)短路過渡受控的“純波形控制”技術；二則是在波形調(diào)制的同時，通過焊絲回抽機械動作來輔助控制的“機械力

輔助控制”受控短路過渡技術。

2.1.1 “純波形控制”的受控短路過渡

目前，僅通過電流波形的調(diào)制來實現(xiàn)短路過渡受控的“純波形控制”技術包括：Lincoln Electric的STT(Surface tension transfer)和Rapid arc 以及Rapid X，Kemppi的Wise RootTM以及WiseThin，Miller的RMDTM(Regulated metal deposition)，EWM的Cold ArcTM，MERKLE的Cold MIGTM，Migatronic的IACTM(Intelligent arc control)，TELWIN的ROOT-MIG，Panasonic的SP-MAG (Super imposition Control，主要針對MAG)以及MTS (Metal transfer stabilization control，主要針對CO2焊)，OTC的CBT (Controlled bridge transferTM)和交流短路過渡焊接法等[1-3]。此類“純波形控制”技術的共同點在于，通過對短路前后電流/電壓的快速采樣，對過渡行為進行監(jiān)測和預判，并根據(jù)監(jiān)測、預判短路過程各階段的行為，有針對性地以預設的電流波形對過渡行為進行干預，尤其是限制熔滴分離時短路電流的過度升高，達到使短路過程穩(wěn)定、柔順從而減小飛濺、降低對焊縫熱輸入等目的。

圖1為一些受控短路過渡的波形原理圖?！凹儾ㄐ慰刂啤钡氖芸囟搪愤^渡，具有以下優(yōu)點：焊接飛濺顯著減小、較好地控制熔深和熱輸入以避免燒穿、搭橋能力好且更容易操作、焊縫成形更好，尤其在薄板、打底和全位置焊接上優(yōu)勢明顯。

圖1 CBT和SP-MAG控制波形原理圖

2.1.2 機械力輔助控制的受控短路過渡

目前，通過焊絲回抽機械力輔助控制的受控短路過渡包括利Fronius的CMT(Cold metal transfer)[4-6]和SKS的MicroMIGTM[1-6]以及Panasonic的AWP (Active-Wire Process)等。此種受控短路過渡乃在波形控制的同時，將送絲運動與熔滴過渡過程進行協(xié)調(diào)控制。在熔滴與熔池短路時，通過焊絲回抽使熔滴被拉斷、過渡并形成電弧重燃的空間。由于無需通過電磁力“夾斷”熔滴，而是通過焊絲回抽“拉斷”熔滴形成電弧空間，因此其熔滴過渡發(fā)生時的電流可幾乎為零，因而熱輸入更低，易于滿足電弧釬焊的要求，同時可以做到幾乎無飛濺焊接。

上述不管是“純波形控制”還是“波形+焊絲回抽機械力輔助”控制，熔滴過渡過程均具有“短路”這一共同特征，其過渡形式本質(zhì)仍為短路過渡，只不過其過渡相對于傳統(tǒng)的短路過渡，受到有目的、更徹底的控制。但由于關注的側(cè)重點以及控制策略的差異，不同公司開發(fā)的受控短路過渡其細節(jié)表現(xiàn)會有所不同。比如Miller的RMD通過熔滴的表面張力和大顆粒熔滴重量實現(xiàn)焊絲與熔池分離，而Fronius的CMT則通過焊絲的回抽實現(xiàn)熔滴分離，因此前者的過渡頻率較后者低、顆粒更大、焊接速度稍低，但打底焊接時的熔透性更好；而后者熱輸入更小、控制更精確，幾乎無飛濺，在薄板焊接上優(yōu)勢更為明顯。圖2為RMD與CMT的波形對比[7]。

受控短路過渡是目前研發(fā)成功并投入實際應用數(shù)量最多的波形控制熔滴過渡類型，尤以完全依靠波形調(diào)制來達到短路過渡受控的“純波形控制”者占多數(shù)。

2.2 受控噴射過渡

2.2.1 forceArc?

forceArc?為EWM研發(fā)的一項受控噴射過渡技術。其原理是基于Hans-Ulrich Pomaska提出的“能量集中的短弧噴射過渡”方法，將傳統(tǒng)噴射過渡的電弧電壓(電弧長度)稍許降低，成為一種綜合短路過渡和噴射過渡共同優(yōu)點的“超短電弧噴射過渡”。因此，其電弧能量更集中、壓力加強，電弧的方向性和穩(wěn)定性提高，從而使熔深加深，同時改善了焊縫根部和表面成形，并降低合金元素的燒損率，適用于各種材料的焊接，效率更高,變形更小。但與此同時，由于電弧長度縮短，熔滴過渡過程中難于避免出現(xiàn)短路，然而通過實時、快速、精確的電流/電壓波形控制，使偶然出現(xiàn)的短路過程為時極短且短路時的能量受到控制，不會如傳統(tǒng)短路過渡那樣形成飛濺。forceArc?雖然有短路出現(xiàn)，但并非主流，電弧形態(tài)及熔滴過渡仍保持噴射過渡的特征，因此其為“受控噴射過渡”而非“受控短路過渡”。亦因此，德國標準DIN1910-4把噴射過渡的定義由“在噴射過渡中焊絲熔滴是以細微顆粒的方式過渡到焊縫中，熔滴過渡中不會出現(xiàn)短路”變更為“熔滴過渡是以細微顆粒方式進行，熔滴過渡中幾乎不出現(xiàn)短路”。forceArc?的電流/電壓波形圖如圖3所示。

圖2 RMD與CMT的波形原理圖

圖3 foeceArc?的電流與電壓波形

2.2.2 雙脈沖

雙脈沖與傳統(tǒng)的脈沖MIG/MAG不同，其原理是在高頻脈沖焊接電流的基礎上，調(diào)制一個低頻脈沖，由前者控制焊絲的熔化速度，后者控制熱輸入并攪拌熔池，強、弱脈沖周期性變化。在低頻脈沖峰值(強脈沖)期間，強脈沖的峰值電流、頻率及電壓均較平均值高，能量較大，過渡的熔滴數(shù)量多；而在低頻脈沖基值(弱脈沖)期間，情形則相反。

根據(jù)送絲速度控制方式的不同，雙脈沖又可以分為等速送絲和變速送絲兩種形式。在等速送絲雙脈沖中，送絲速度等于總平均電流下對應的熔化速度，焊絲以此恒定的速度送出。但在強脈沖期間，其平均電流大于總平均電流，因此弧長會變長。同理，在弱脈沖期間，電弧又會變短。因此，等速送絲的雙脈沖其焊接過程的弧長是周期性不斷變化的。而變速送絲雙脈沖的送絲速度則隨強/弱脈沖的交替相應作周期性變化：強脈沖期間配以高送絲速度，弱脈沖期間則配以低送絲速度，使弧長在強、弱脈沖期間均保持恒定。因此變速送絲的雙脈沖需要把強、弱脈沖電流與送絲速度進行協(xié)同控制，其控制比等速送絲的要復雜。兩種雙脈沖其波形原理如圖4所示[8]。

圖4 雙脈沖的波形原理

目前，雙脈沖主要有KEMPPI的Double Pulse，Lincoln Electric的Pulse on Pulse以及Migatronic的Quattor Pulse，F(xiàn)ronius 的TPS TransPlus Synergic，ESAB的Aristo Pulse/Pulse，CLOOS的AluPlus和Duo Pluse，Lorch的Twin Puls以及TELWIN的PoP(Pulse on Pulse)等。由于不同公司開發(fā)的雙脈沖其針對的側(cè)重點和控制策略不同，波形會有所差異。圖5給出了一些不同雙脈沖的電流波形。

圖5 不同雙脈沖的波形原理

需要指出的是，從熔滴過渡的高速攝影視頻上看，雙脈沖其熔滴過渡本質(zhì)上仍為噴射過渡，只是由于強弱脈沖的周期性變化，其過渡行為與直流噴射過渡和傳統(tǒng)脈沖噴射過渡有差異，強、弱脈沖期間其熔滴過渡頻率是不同的，強脈沖期間頻率高，弱脈沖期間頻率低。

雙脈沖焊接由于電弧形態(tài)(包括弧長)的周期性變化，擾動熔池,細化焊縫晶粒，在焊鋁時能降低裂紋產(chǎn)生的幾率，同時能減小焊接氣孔發(fā)生率，還能無需橫擺運弧即可獲得如TIG般的魚鱗狀焊縫，容易焊接從而減少焊工所需的訓練，因此在鋁合金焊接上尤其表現(xiàn)出優(yōu)勢。事實上，幾乎所有公司的雙脈沖介紹資料，均主要針對并突出其在鋁和不銹鋼焊接上的優(yōu)勢。

除上述外，受控噴射過渡還有Lincoln Electric的AC Pulse和Precision Pulse，TELWIN的DEEP-MIG，KEMPPI的WiseFusion等。受控噴射過渡以雙脈沖最先出現(xiàn)，且當前在GMAW焊機上配用更為普遍。另

外，現(xiàn)在即使是傳統(tǒng)脈沖的GMAW，有些也會根據(jù)所焊材質(zhì)的特性對電流脈沖波形進行優(yōu)化。

2.3 組合過渡

組合過渡是指在一個電流周期內(nèi)，前后兩個半周分別采用不同熔滴過渡形式的組合之統(tǒng)稱。目前組合過渡技術主要有ESAB的Aristo Super Pulse[1]和EWM的superPuls，Panasonic的DIP脈沖控制[9]等。

超脈沖是對雙脈沖概念的深度發(fā)展，擴展了脈沖MIG/MAG在更厚/更薄不銹鋼/鋁等材料焊接上的應用。ESAB Aristo超脈沖包括pulse/pulse(脈沖/脈沖)、spray/pulse(噴射/脈沖)以及pulse/short arc(脈沖/短路)三種組合類型，其電流波形原理如圖6所示。

圖6 ESAB Aristo超脈沖電流波形圖

脈沖/脈沖事實上即上文已述的雙脈沖，主要針對中等及小厚度材料尤其是鋁合金和不銹鋼的焊接。

噴射/脈沖組合過渡則用于厚鋁合金的全位置高效焊接。噴射過渡階段獲得高焊速和大熔深，而脈沖階段又使熱輸入降低。它可以無需橫擺立向上焊接鋁合金。

脈沖/短路組合過渡由脈沖階段獲得適當?shù)娜凵?，由短路階段獲得良好的搭橋能力。由于脈沖和短路階段的熱輸入都較低，因此總的熱輸入很低，且對接縫間隙不敏感，搭橋能力強，可以無飛濺焊接薄至0.6 mm的鋁材和很薄的不銹鋼板，還可以MIG/MAG釬焊很薄的材料，以及替代TIG用于厚板的打底焊。

另外，一些機械力輔助的受控短路過渡熱輸入低，只在小電流區(qū)間、焊接超薄板材和電弧釬焊時優(yōu)勢明顯。因此，為了拓展其應用，F(xiàn)ronius將CMT和脈沖過渡結合，即在一個純CMT過程后，過渡方式轉(zhuǎn)為一個或幾個脈沖過渡，實現(xiàn)了CMT+Pulse的復合過渡。這種復合過渡使GMAW的熱輸入可以進行更靈活的調(diào)整，以克服純CMT熱輸入小只適于焊接薄板的局限，用于較厚板材的焊接以及需要搭橋和提高薄板焊接速度的場合(最高能達到6～7 m/min)，并能得到良好的焊縫成形。Panasonic則發(fā)展了DIP脈沖控制，它是一種“脈沖+受控短路過渡”組合的熔滴過渡技術，其短路階段本身就是受控短路而非傳統(tǒng)的短路過渡，圖7為其波形原理圖。

圖7 DIP脈沖控制電流波形圖

以文中對“組合過渡”的定義，CMT+Pulse和DIP脈沖控制顯然均屬于組合過渡。

除以上述及者外，尚有不少焊機制造商開發(fā)了其它不同命名的波形控制技術，如Lincoln Electric的Rapid Z，Power Mode和Tandem MIG，Hot Wire Tandem MIG……，Panasonic的短路初期抑制技術，HD-PULSE (Hyper DIP-Pulse Control)，Hot-Active (Hot-AWP)……，Lorch的Speed-TwinPulse，EWM的impuls和pipeSolution?+pulse，CLOOS的S-Pulse和Rapid Weld，Cold Weld，Vari Weld……，SAF·FRO的CDPTM，快速短弧，SSPTM，SMTM，KEMPPI的Wise Penetration以及Fronius的LSC(低飛濺控制)和PMC(多功能脈沖控制)等等。在近兩年的北京埃森焊接與切割展覽會上，一些國內(nèi)的焊機制造企業(yè)也開始推出自己內(nèi)含低飛濺、雙脈沖、“冷弧焊”等波形控制技術的新型數(shù)字化GMAW焊機，但似未見有自己獨立命名的波形控制技術，企業(yè)的產(chǎn)品宣傳資料亦未見就這些波形控制技術原理的具體文字說明和波形圖。

以上這些波形控制技術，還包括一些尚未列入文中的波形控制技術，筆者目前掌握的有關文獻及資料較薄，且大部分為企業(yè)自己的宣傳頁，信息有限，加之篇幅所限，在此暫不論述。但需要指出的是：①有些同一公司、同一類型的波形控制技術，在其不同年份/版本的宣傳資料上命名(包括譯名)或會有不同； ②某些波形控制下的熔滴過渡，不宜截然歸類為某一單一的類型。比如KEMPPI的Wise Fusion，操作手冊描述其過渡有短路過程，但噴射/短路過渡各占周期的比例是可調(diào)的，當它們各占50%時即為此種情況。因此，Wise Fusion亦可視為一種組合過渡類型。

3 對波形控制技術的展望

對比文中所述的各種波形控制下的熔滴過渡，可以發(fā)現(xiàn)不同命名的波形控制，其關注重點、控制策略會有所不同，或者說為了不同的目的，會側(cè)重采用不同的

控制策略，同時在波形控制的研發(fā)過程中，不斷產(chǎn)生新的應用，比如現(xiàn)有的波形控制GMAW，已經(jīng)使焊接操作越來越“傻瓜化”，可以做到大間隙打底不橫擺單面焊雙面成形和T形接頭角焊縫不開坡口單面焊雙面成形。因此，可以預見，隨著對各種焊接條件下電弧行為研究的深入與細化，還會出現(xiàn)其它命名甚至新類型的電弧波形控制技術，并產(chǎn)生新的應用。而隨著波形控制研究與應用的深入，數(shù)據(jù)與經(jīng)驗的積累，將來“焊接專家系統(tǒng)”甚至可能出現(xiàn)“自適應波形控制”，亦即焊接專家系統(tǒng)可以根據(jù)具體的焊接條件(如材質(zhì)、厚度、坡口形式和尺寸、焊接位置、焊接層/道數(shù)等等)與要求，自動生成與之最相適應的控制波形，使每一次焊接、每一道焊縫的要求都得到最大程度的滿足，實現(xiàn)GMAW徹底的“個性化”和“精細化”，屆時焊接質(zhì)量與效率將邁上一個新的層次和高度。因此，GMAW的波形控制技術在將來當還有很大的發(fā)展空間。

4 結 論

(1)在“熔滴過渡形式(mode)”的基礎上引入“熔滴過渡類型(type)”的概念，目前波形控制下的熔滴過渡大致可以分為“受控短路過渡”、“受控噴射過渡”和“組合過渡”三種類型。

(2)受控短路過渡又可以分為“純波形控制”和“波形+機械力輔助控制”兩種。此類型的波形控制熔滴過渡由于較好地控制了熔滴短路時的能量，熱輸入低，焊接飛濺小甚至無飛濺，適合于薄板/打底的全位置焊接以及電弧釬焊。

(3)受控噴射過渡當前以雙脈沖為多見，由于其輸入熱量受控并周期性變化，振動熔池、細化晶粒，降低氣孔發(fā)生概率，在鋁合金的焊接上優(yōu)勢明顯，主要用于鋁合金和不銹鋼的焊接。

(4)組合過渡根據(jù)熔滴過渡形式組合的不同，具有不同的特點，其針對性和適應性更強。

(5)波形控制熔滴過渡技術已成為近十多年來GMAW技術中發(fā)展最活躍的領域之一，其使焊接操作更容易、焊接質(zhì)量更高、更穩(wěn)定，在國內(nèi)外當前的數(shù)字化GMAW焊機上已逐漸成為標配，且預計尚有較大的發(fā)展，值得研究與應用者關注。

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2016-06-21

TG403

葉克力，1968年出生，教授,工程師。主要從事焊接高等職業(yè)教育以及焊接工藝、焊接材料的研究，已發(fā)表論文10余篇。