低能量焊接工藝控制參數(shù)對熔滴尺寸的影響

張玉印，黃鵬飛，閆恒宇，張華棟

（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

低能量焊接工藝控制參數(shù)對熔滴尺寸的影響

張玉印，黃鵬飛，閆恒宇，張華棟

（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

低能量過渡焊接技術(shù)（Low Energy Transfer Welding Technology，簡稱LET）是一種新型焊接方法，它采用推拉送絲的方式完成熔滴過渡，焊接過程無飛濺，并能有效降低焊接熱輸入。LET焊接系統(tǒng)通過電流輸出和焊絲運動相互匹配，兩者協(xié)同工作實現(xiàn)穩(wěn)定焊接。由于熔滴尺寸直接影響熔敷速度，通過焊接工藝試驗，深入研究燃弧峰值電流Iap、保持時間Tap、送絲速度vz2、焊絲送進延時時間T1、焊絲回抽速度vf1及焊絲回抽延時時間T3等控制參數(shù)對熔滴尺寸的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著Iap、Tap、vf1、T1和T3的增大，熔滴尺寸增大，而vz2對熔滴尺寸的影響不明顯，適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)能夠有效控制熔滴尺寸。本研究為深入了解LET焊接工藝過程，有效調(diào)節(jié)焊接熔敷速度奠定了良好的實驗基礎(chǔ)。

推拉送絲；熔滴過渡；控制參數(shù)；熔滴尺寸

0 前言

近年來，輕量化薄板材料廣泛應(yīng)用于汽車、造船、集裝箱等工業(yè)領(lǐng)域，薄板的焊接自然成為一個要解決的重要問題[1]。薄板焊接對熱輸入比較敏感，焊接過程中容易出現(xiàn)材料的熱變形和燒穿現(xiàn)象[2]。傳統(tǒng)電弧焊接方法熱輸入較高，無法滿足薄板焊接的需求，實踐表明表面張力過渡焊接技術(shù)（STT）能夠有效解決這一問題[3]。但是，STT焊接技術(shù)在燃弧階段要有一個較高的電流值來保證熔池的良好流動性，電流較低會降低焊絲熔化速度、延長熔滴過渡時間，加之STT焊接技術(shù)配合的是等速送絲，可能導(dǎo)致固體短路的出現(xiàn)，并且較高的燃弧電流值會增加對母材的熱輸入。LET焊接技術(shù)是一種新型焊接方法，它采用推拉送絲的方式完成熔滴短路過渡，能有效降低焊接過程的熱輸入。在焊接過程中發(fā)生短路時，送絲電機反轉(zhuǎn)，依靠焊絲回抽的機械力完成熔滴過渡。在焊絲回抽過程中，控制電源輸出較小的焊接電流，從而降低了焊接熱輸入和減少了焊接飛濺，使焊接過程對母材熱輸入較小，工件不易變形，LET焊接適用于對熱輸入比較敏感的薄板焊接。由于熔滴尺寸直接影響焊絲的熔化速度和焊縫成形，為了更好地研究LET焊接工藝過程，在此通過焊接試驗深入研究了焊接工藝參數(shù)對過渡熔滴尺寸的影響規(guī)律。

1 LET焊接系統(tǒng)控制方案

如圖1所示，LET焊接系統(tǒng)的熔滴過渡方式是通過機械力回抽焊絲實現(xiàn)的短路過渡形式。焊接過程的控制方案采用電源輸出電流與焊絲運動協(xié)同配合的方式，通過波形控制使輸出電流配合焊絲的運動，保證焊接過程穩(wěn)定，進而達到降低焊接過程的熱輸入，確保焊接過程幾乎無飛濺和良好焊縫成形的效果[4]。

圖1 焊絲運動示意Fig.1 Wire movement schematic

LET焊接系統(tǒng)控制方案示意如圖2所示，圖2a為焊接過程中的電壓波形，圖2b為燃弧和短路狀態(tài)對應(yīng)的焊絲運動狀況，圖2c為對應(yīng)的輸出電流波形。當(dāng)電弧電壓U大于某臨界值U0時判斷電弧處于燃弧狀態(tài)，當(dāng)U＜U0時為短路狀態(tài)。v代表送絲速度，當(dāng)v＞0時為焊絲送進狀態(tài)，v＜0時為焊絲回抽狀態(tài)。當(dāng)判斷為燃弧狀態(tài)時，開始計時并給定燃弧峰值電流Iap，經(jīng)過設(shè)定時間T1后伺服電機以速度vz2正轉(zhuǎn)即焊絲送進，當(dāng)時間達到保持時間Tap時，焊接過程進入燃弧后期，此時輸出較小的燃弧后期電流Iab；當(dāng)檢測到短路狀態(tài)時，為了避免小橋爆斷產(chǎn)生飛濺，此時要輸出小電流Id并且開始計時，當(dāng)時間達到T3時，伺服電機以速度vf1反轉(zhuǎn)回抽焊絲，進而熔滴被機械力拉斷完成短路過渡；當(dāng)時間為Td時，焊接過程進入短路后期，此時焊接主電源需要輸出較大電流Ih，此電流既有利于下一周期電弧的再引燃，也能促進縮頸的產(chǎn)生，進而降低焊接周期時間，提高焊接效率，當(dāng)焊接過程進入下一個燃弧狀態(tài)，標(biāo)志著焊接過程一個周期的完成[5]。

該焊接系統(tǒng)短路過渡時依靠機械拉力拉斷熔滴液橋，并且短路時電流值較小，從而實現(xiàn)低能量焊接。該系統(tǒng)短路過渡均勻，送絲系統(tǒng)與焊接電源配合良好，整個焊接過程十分穩(wěn)定，幾乎沒有飛濺，焊縫均勻美觀。

2 試驗方案

試驗通過LabVIEW軟件對焊接過程進行實時數(shù)據(jù)采集，可以得到熔滴過渡周期時間，即可得到熔滴過渡頻率。焊接過程中通過統(tǒng)計焊接時間和焊絲熔化長度，得到焊絲熔化速度，進而得到單周期焊絲熔化長度，用此數(shù)據(jù)來表示熔滴的相對大小。

LET焊接工藝試驗所選材料和選用參數(shù)如表1、表2所示。

表1 LET焊接試驗所用材料Table 1 LET welding experiment materials used

表2 LET焊接工藝試驗選用參數(shù)大小Table 2 The size of LET welding process parameters

在LET焊接系統(tǒng)控制方案中，燃弧后期電流值Iab選為50 A，此值較小，主要作用是提供維持電弧加熱焊絲基本能量，較小的電流值還能降低焊接過程中的熱輸入。短路前期電流值Id為40 A，其主要作用是避免較大電流流過短路前期小橋的情況出現(xiàn)，從而減少飛濺。保持時間Td為1 ms，短路后期電流值Ih為90 A，此值較大，主要作用是提供能夠順利再引燃電弧的基值電流，并促進縮頸的形成，提高焊接效率。

在LET焊接系統(tǒng)控制方案中，首先進行初步的工藝試驗，找到穩(wěn)定工作區(qū)間，然后分別在固定送絲參數(shù)的條件下改變電源輸出參數(shù)，或者在固定電源輸出參數(shù)的條件下改變送絲控制參數(shù)，研究不同條件下各參數(shù)匹配對熔滴尺寸的影響規(guī)律。

3 控制參數(shù)對熔滴尺寸的影響規(guī)律

焊絲的每次前進與回抽量之差所對應(yīng)的焊絲體積為每次焊絲過渡量，也就是過渡金屬的體積。焊接過程每個周期的能量輸出應(yīng)該正好能夠熔化這部分金屬體積，這就要求對電流、電壓波形進行設(shè)計，使之匹配焊絲運動，達到穩(wěn)定焊接的目的。

3.1 Iap和Tap對熔滴尺寸的影響規(guī)律

控制方案中的Iap為燃弧峰值電流，它能夠保證電弧順利的再引燃并促進熔化焊絲形成熔滴以及加熱母材，燃弧峰值電流的保持時間為Tap。Iap和Tap是熔化焊絲及向母材輸入能量的最主要參數(shù)，其作用類似于傳統(tǒng)脈沖MIG焊中的峰值電流Ip和峰值時間Tp。

焊接系統(tǒng)采用波形控制方案，燃弧初期電流值Iap選擇150 A、200 A、250 A和300 A四個值，保持時間Tap選擇1.5 ms、1.8 ms、2.1 ms、2.4 ms、2.7 ms和3.0 ms六個值。在其他控制參數(shù)不變的情況下，研究Iap和Tap的各種匹配方式對熔滴尺寸的影響，如圖3所示。

圖3 不同Iap和Tap匹配下熔滴尺寸Fig.3 Droplet size when Iapand Taptake different values

此時，LET焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)為：vz2= 450 r/min，T1=1 ms，vf1=400 r/min；T3=0 ms。

燃弧期間通過調(diào)整燃弧脈沖電流Iap和持續(xù)時間Tap以調(diào)整脈沖能量的大小，從而調(diào)節(jié)電弧長度，這種方法靈活簡單，精確性較好。每個周期內(nèi)焊絲熔化長度代表了過渡熔滴尺寸的大小，在不同燃弧峰值電流Iap和保持時間Tap的匹配下，熔滴尺寸也各不相同。由圖3可知，隨著燃弧脈沖電流Iap和保持時間Tap的增大，過渡熔滴尺寸變大。這是因為隨著Iap和Tap的增加，會產(chǎn)生更多的燃弧峰值能量，這是加熱熔池的主要能量來源，對熔化焊絲形成熔滴也起著非常重要的作用。更多的燃弧峰值能量用來加熱熔池和熔化焊絲形成熔滴，使得短路階段焊絲端頭的熔滴向熔池內(nèi)更充分的鋪展，也使過渡熔滴尺寸變大。

3.2 vf1和T3對熔滴尺寸的影響規(guī)律

vf1為焊絲回抽速度，T3為焊絲回抽延時時間，其表征意義是當(dāng)發(fā)生短路時開始計時，經(jīng)過時間T3后，焊絲以速度vf1開始回抽。

LET焊接系統(tǒng)采用波形控制方案，焊絲回抽速度vf1選擇300 r/min、350 r/min、400 r/min、450 r/min和500 r/min五個值，焊絲回抽延時時間T3選擇0 ms、0.3 ms、0.6 ms和0.9 ms四個值。在其他參數(shù)值保持不變的前提下，使vf1和T3相互匹配來研究vf1和T3對熔滴尺寸的影響，如圖4所示。

此時，LET焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)為：Iap= 250 A，Tap=2.8ms，vz2=450r/min，T1=1 ms。

圖4 不同vf1和T3匹配下熔滴尺寸圖4 Droplet size when vf1and T3take different values

不同焊絲回抽速度vf1和T3匹配下每個周期內(nèi)焊絲熔化長度代表了過渡熔滴尺寸的大小。由圖4可知，隨著回抽延時時間T3的增大，過渡熔滴尺寸變大。這是因為隨著T3的增大，焊絲送進時間加大，導(dǎo)致焊絲每次前進與回抽量之差（即步距S）增大，T3越大，熔滴向熔池過渡時間越長，使熔滴在熔池內(nèi)更充分的鋪展，最終增大焊絲端頭的熔滴尺寸。結(jié)果表明，在焊絲送進延時時間一定時，隨著焊絲回抽速度的增大，單周期焊絲熔化長度逐漸增大。這是由于vf1的增大減小了短路時間，加之慣性的存在，焊絲回抽速度越大，導(dǎo)致燃弧時間變長，而燃弧期間的功率大于短路期間，所以會產(chǎn)生更多的能量加熱焊絲和母材，最終導(dǎo)致熔滴尺寸變大。

3.3 vz2和T1對熔滴尺寸的影響規(guī)律

vz2為焊絲送進速度，T1為焊絲送進延時時間，其表征意義是當(dāng)判斷為燃弧狀態(tài)時開始計時，經(jīng)過時間T1后，焊絲以速度vz2開始送進。

試驗方案中焊絲送進速度vz2選擇400 r/min、450 r/min、500 r/min和550 r/min四個值，焊絲送進延時時間T1選擇0 ms、1 ms、2 ms、3 ms和4 ms五個值。其他參數(shù)值保持不變，vz2和T1的各值相互匹配。不同vz2和T1匹配下的熔滴尺寸如圖5所示。

圖5 不同vz2和T1匹配下熔滴尺寸圖5 Droplet size when vz2and T1take different values

此時，LET焊接系統(tǒng)所選的其他工藝參數(shù)為：Iap=250 A，Tap=2.5 ms，vf1=400 r/min，T3=0 ms。

不同送進速度vz2和T1匹配下每個周期內(nèi)的焊絲熔化長度代表了過渡熔滴尺寸的大小。由圖5可知，隨著焊絲送進延時時間T1的增大，過渡熔滴尺寸變大。這是因為T1代表著當(dāng)電弧電壓大于燃弧電壓時開始計時，經(jīng)過時間T1后，焊絲開始送進，即隨著焊絲送進延時時間T1的增大，燃弧時間變長，進而會產(chǎn)生更多的能量來加熱焊絲和熔池，使得焊絲熔敷速度增大。在焊絲送進延時時間T1一定時，隨著焊絲送進速度的增大，單周期焊絲熔化長度變化不大。這是因為送絲速度的變化會影響燃弧時間，而燃弧能量的變化取決于燃弧后期短路電流的作用。由于短路電流幅值較小，對能量影響不大，所以焊絲送進速度在一定范圍內(nèi)對熔滴過渡尺寸的影響不明顯。

4 結(jié)論

LET焊接系統(tǒng)能夠使焊接電流輸出和焊絲送進、回抽運動配合良好，焊接工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍廣，焊接能量低，熔滴過渡平穩(wěn)，無飛濺，焊縫美觀，焊接效果良好。通過LET焊接工藝試驗得到控制參數(shù)對熔滴尺寸的影響規(guī)律如下：

（1）隨著Iap和Tap的增大，過渡熔滴尺寸變大。這是由于Iap和Tap的增大會產(chǎn)生更多的燃弧峰值能量用于加熱熔池和熔化焊絲形成熔滴，最終導(dǎo)致熔滴尺寸變大。

（2）隨著回抽延時時間T3和回抽速度vf1的增大，過渡熔滴尺寸變大。T3的增大使短路時間增加，從而導(dǎo)致熔滴過渡頻率減小，最終使焊絲端頭的熔滴尺寸變大；由于vf1的增大，減小了短路時間，增大了燃弧時間，而燃弧期間的功率大于短路期間，所以會產(chǎn)生更多的能量加熱焊絲和母材，導(dǎo)致熔滴尺寸變大。

（3）隨著焊絲送進延遲時間T1的增大，過渡熔滴尺寸變大。這是因為隨著T1的延遲，燃弧時間增加，會產(chǎn)生更多的能量來加熱焊絲和熔池，并且減小了熔滴過渡頻率，從而使焊絲端頭的熔滴尺寸變大；由于燃弧后期電流較小，送絲送進速度對燃弧能量的影響也很小，vz2在一定范圍內(nèi)對熔滴過渡尺寸的影響不明顯。

[1]張撼鵬，殷樹言.新型低能量輸入電弧焊接系統(tǒng)及其過程控制研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[2]閻紅，孫冬梅，楊立軍.薄板熔化焊方法的發(fā)展現(xiàn)狀[J].焊接技術(shù)，2000，29（4）：10-11.

[3]王燕，張富巨.STT焊機在超細晶粒鋼焊接中的試驗研究[J].電焊機，2008，38（1）：63-67.

[4]黃鵬飛，馮偉，路永全.推拉送絲焊接設(shè)備及工藝[J].電焊機，2014，44（9）：32-35.

[5]路永全，黃鵬飛.新型低能量焊接設(shè)備及工藝研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

Effect of control parameters of LET welding process on the droplet size

ZHANG Yuyin，HUANG Pengfei，YAN Hengyu，ZHANG Huadong
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Low energy transfer welding technology is a new method of welding，It completes droplet transition by push-pull wire feeding，there is no splash during the welding process，and it can reduce the heat input effectively.The current output and the wire movement match each in order to achieve a stable welding process.Due to the size of the drop size affect the welding deposition rate directly，so this article studied the influence of the peak arc current Iap，retention time Tap，wire feeding speed Vz2，the delay time of welding wire feeding T1，wire withdrawing speed Vf1and the delay time of withdrawing welding wire T3by LET welding system.The Results prove that with the Iap，Tap，Vf1，T1and T3increasing the droplet diameter increases，with the increasing of Vz2，the droplet diameters have a little change.so It is possible to adjust the welding parameters appropriately to control the size of the droplet size. This work laid a good experimental basis for understanding of LET welding process and the regulation of weld deposition rate.

push-pull wire；droplet transfer；control parameters；droplet size

TG44

A

1001－2303（2016）12－0084-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.18

獻

張玉印，黃鵬飛，閆恒宇，等.低能量焊接工藝控制參數(shù)對熔滴尺寸的影響[J].電焊機，2016，46（12）：84-87.

2016-03-07

張玉?。?988—），男，山東濟寧人，在讀碩士，主要從事現(xiàn)代焊接技術(shù)與自動化裝備的研究。