交流MIG焊接的電流換向維弧研究

侯潤(rùn)石 吳勇健

摘要：交流MIG焊可通過(guò)調(diào)節(jié)EP極性和EN極性的比例來(lái)控制焊縫熔深和焊絲熔化速度，有利于薄板焊接，但交流MIG焊在EP極性和EN極性變化時(shí)容易產(chǎn)生斷弧。研究了一種維弧電路，在EP極性和EN極性變化時(shí)刻能輸出很高的重引弧電壓來(lái)幫助電弧重新引燃?？捎行Ы鉀Q薄板高速焊接時(shí)的燒穿問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：交流MIG;電弧穩(wěn)定性;電弧重引燃

中圖分類(lèi)號(hào)：TG403 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0091-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.19

0 前言

近年來(lái)，隨著金屬制品輕量化要求不斷增多，高質(zhì)量的薄板焊接越來(lái)越重要。傳統(tǒng)直流MIG焊接具有生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，但焊縫熱輸入量控制困難，傳統(tǒng)焊接工藝難以滿(mǎn)足人們對(duì)于高效低成本焊接的需求。交流MIG焊利用EP極性和EN極性的交替切換來(lái)提高電弧挺度、克服直流電弧的磁偏吹，從而提高焊接電弧及熔滴過(guò)渡的穩(wěn)定性;通過(guò)調(diào)節(jié)EP極性和EN極性的比例來(lái)控制焊縫熔深和焊絲熔化速度，因此非常有利于薄板的焊接[1-2]。

相對(duì)于交流TIG焊，交流MIG焊在EP極性和EN極性變化過(guò)程中更容易產(chǎn)生斷弧，交流MIG焊二次逆變電路的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和控制策略對(duì)于交流焊接電源的輸出性能具有重要的影響，如何在EP極性和EN極性變化過(guò)程中維持電弧的穩(wěn)定，是交流MIG焊的難點(diǎn)之一。文中研究了一種維弧電路，在交流MIG焊EP極性和EN極性變化過(guò)程中電流迅速過(guò)零點(diǎn)，并輸出高于350 V的重引弧電壓以幫助電弧重新引燃。

1 交流MIG焊接電流換向電弧穩(wěn)定性

在交流電弧焊接過(guò)程中，電流過(guò)零時(shí)電弧將瞬時(shí)熄滅，需重新引燃電弧。而重新引燃電弧的難易與再引燃電弧瞬間電弧空間殘余電離度、陰極電子發(fā)射能力以及再加電壓的上升速度有關(guān)[3-4]。在電流過(guò)零熄滅瞬間，疊加足夠高的電壓脈沖可使電弧熄滅后能夠立即再引燃[5]。交流MIG焊接電弧在極性變換前的電流大小、電弧能量、變換極性后加在電弧兩端電壓的大小及其加上的速度是影響交流MIG電弧變極性穩(wěn)定性的最重要的三個(gè)因素[6]。

文獻(xiàn)[7]介紹了交流MIG電弧變極性穩(wěn)定性，其穩(wěn)弧控制方案是在焊接電弧極性變換的時(shí)刻加瞬時(shí)高壓脈沖，保護(hù)氣體為純氬氣時(shí)，瞬時(shí)高壓脈沖的幅值需在280 V以上。在氬氣基礎(chǔ)上，隨著CO2含量的增加，瞬時(shí)高壓脈沖的幅值相應(yīng)增加，當(dāng)CO2含量在25%以上時(shí)，瞬時(shí)高壓脈沖的幅值需在430 V以上，實(shí)際上焊接電流大時(shí)所需的穩(wěn)弧強(qiáng)度弱，焊接電流小時(shí)所需的穩(wěn)弧強(qiáng)度強(qiáng)。

交流脈沖 MIG焊可以通過(guò)調(diào)節(jié)各波段的電流大小、時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制焊接電弧的穩(wěn)定性，使電磁力能夠順利地促進(jìn)熔滴過(guò)渡，達(dá)到一脈一滴穩(wěn)定過(guò)渡的效果，其中脈沖時(shí)間與正極性基值時(shí)間對(duì)熔滴過(guò)渡的影響最大，熔滴脫落穩(wěn)定出現(xiàn)在正極性脈沖的下降沿，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡，正極性脈沖前的基值時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)[8]。

2 交流MIG焊接電源主電路及輔助電路

文中的交流MIG焊接電源采用二次全橋逆變結(jié)構(gòu)，其原理簡(jiǎn)單，電流極性切換速度快[9]，如圖1所示。電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波、一次逆變和變壓器T1降壓后，輸出高頻方波交流電，再經(jīng)過(guò)整流二次逆變，輸出頻率較低的交流焊接電流。二次逆變回路由IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4構(gòu)成，焊接過(guò)程中IGBT1、IGBT3與IGBT2、IGBT4交替導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電流換向。

相對(duì)于交流TIG焊，交流MIG焊的焊絲是電極，其熔點(diǎn)低，放電困難，故交流MIG焊在極性切換時(shí)要輸出很高的重引弧電壓才能使電弧在交流過(guò)零點(diǎn)時(shí)重新起弧。為此，設(shè)計(jì)了以箝位電容C1為中心的維弧電路，其中包括充電電路、放電電路和箝位電路：

（1）充電電路：C1電容的充電電路由兩個(gè)回路組成。

第一充電回路由電容C1、主變壓器T1二次側(cè)N3、整流橋B1組成。當(dāng)焊接啟動(dòng)時(shí)，逆變器一次側(cè)開(kāi)始功率輸出，主變壓器T1二次側(cè)N3輸出高頻交流電壓通過(guò)整流橋B1對(duì)電容C1充電。在網(wǎng)壓380 V輸入條件下，設(shè)計(jì)N3與N1的匝數(shù)比關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電容C1的充電電壓為350 V，該電壓為電容C1的基礎(chǔ)電壓。文中設(shè)計(jì)的逆變器的工作頻率為50 kHz，所以主變壓器對(duì)C1的充電速度非?？欤?00 μs就可使得C1的電壓達(dá)到350 V，從而保證焊接從起弧開(kāi)始即可實(shí)現(xiàn)電弧換向的穩(wěn)定。

第二充電回路由電容C1、二次逆變開(kāi)關(guān)管、回路中的電感及相應(yīng)的二極管組成。由于回路中存在電感，在IGBT1和IGBT4（或IGBT2和IGBT3）關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，當(dāng)該電壓尖峰超過(guò)第一充電回路的基礎(chǔ)電壓350 V時(shí)，該電壓尖峰將會(huì)對(duì)電容C1充電。此時(shí)充電回路的電容C1主要是起緩沖吸收作用，保護(hù)相關(guān)功率器件的安全。同時(shí)，由于電容C1兩端在第一充電回路中有一個(gè)350 V的基礎(chǔ)電壓，所以在IGBT1和IGBT4（或IGBT2和IGBT3）關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰低于350 V時(shí)，電容C1并不吸收此電壓尖峰，這有利于IGBT1和IGBT4（或IGBT2和IGBT3）的關(guān)斷速度，實(shí)現(xiàn)更快的電流下降。

（2）放電電路：由于文中采用的二次逆變主回路的功率器件最高耐壓不超過(guò)600 V，當(dāng)超過(guò)此電壓時(shí)將損壞相關(guān)器件。為了保護(hù)功率器件的安全，設(shè)計(jì)了對(duì)電容C1的放電回路，充電回路由兩個(gè)回路組成。

第一放電回路由電容C1、電阻R1、電阻R2組成。該回路為典型RC放電電路，當(dāng)電容C1上有電壓時(shí)，電阻R1、R2將對(duì)其進(jìn)行放電。該放電回路的放電速度比較緩慢。

第二放電回路由電容C1、電阻R3、開(kāi)關(guān)管IGBT5組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)管IGBT5處于關(guān)斷狀態(tài)，此放電回路不工作，只有第一放電回路對(duì)C1進(jìn)行放電。當(dāng)C1兩端的電壓高于450 V時(shí)，電阻R1和R2組成分壓電路并聯(lián)于箝位電容C1兩端，R2上的電壓增大且當(dāng)該輸出電壓擊穿穩(wěn)壓管ZD1時(shí)IGBT5導(dǎo)通，電容C1經(jīng)IGBT5通過(guò)R3迅速放電到R2上的電壓不能擊穿穩(wěn)壓管ZD1。

（3）箝位電路：由VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6組成，阻斷C1電容向焊機(jī)輸出端的放電回路，從而保證焊接過(guò)程中無(wú)論處于短路還是燃弧狀態(tài)，C1電容上電壓始終保證在350 V以上。

3 維弧電路工作原理分析

根據(jù)上文分析，維弧電路中通過(guò)充電電路對(duì)C1進(jìn)行充電到350 V，并通過(guò)放電電路使C1電壓保持在350～450 V，因此為分析方便，將圖1電路簡(jiǎn)化如圖2所示，對(duì)輸出EP極性和EN極性變化的半個(gè)周期內(nèi)各時(shí)刻工作情況進(jìn)行分析，如圖3所示。

（1）t0～t1期間。t0～t1期間，IGBT1、IGBT4導(dǎo)通，主回路中電流流向?yàn)椋褐髯儔浩鱐1→VD1（VD2）→L1→IGBT1→OUT2→OUT1→IGBT4→主變壓器中心抽頭，如圖4所示。在此過(guò)程中，電感L1存儲(chǔ)了一定的能量，且L1的極性為左“正”右“負(fù)”。

（2）t1～t2期間。在t1時(shí)刻：IGBT1、IGBT4關(guān)斷，IGBT2、IGBT3開(kāi)通。由于C1兩端的電壓始終保持在350 V以上，IGBT1、IGBT4除了電容C1，沒(méi)有其他緩沖回路，所以在IGBT1、IGBT4剛開(kāi)始關(guān)斷時(shí)，uL1的電壓小于C1兩端的電壓，加速I(mǎi)GBT1、IGBT4的快速關(guān)斷，流過(guò)IGBT1、IGBT4和輸出端的主回路電流迅速衰減，在L1上產(chǎn)生很高的電壓uL1，極性將變?yōu)橛摇罢弊蟆柏?fù)”。當(dāng)uL1電壓達(dá)到C1兩端的電壓，將使VD1、VD2導(dǎo)通，C1電容將吸收L1上的感應(yīng)電壓uL1，同時(shí)uAB的電壓被箝位到電容C1的兩端電壓uC1，即uAB=uC1，如圖5所示。

（3）t2～t3期間。在t2時(shí)刻，輸出電流衰減到零，IGBT1、IGBT4徹底關(guān)斷，IGBT2、IGBT3已經(jīng)開(kāi)通，uAB的電壓通過(guò)IGBT2、IGBT3加載到輸出端OUT1和OUT2上，該電壓超過(guò)350 V，可幫助電弧重新引燃。此后，電流流向?yàn)椋褐髯儔浩鱐1→VD1（VD2）→L1→IGBT2→OUT1→OUT2→IGBT3→主變壓器中心抽頭，如圖6所示。t0～t3為半個(gè)周期，后半個(gè)周期與t0～t3原理一樣。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

4.1 實(shí)際工作波形

采用電阻負(fù)載實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖7所示。根據(jù)焊接工藝要求及其實(shí)際工作情況，設(shè)定工作頻率為150 Hz，占空比50%。EP極性和EN極性的電流均為150 A。在焊接過(guò)程中，電容C1兩端的電壓始終保持在350 V以上，電流換向過(guò)程中均迅速下降或者升高到零，電流過(guò)零后電容C1上的電壓都被充電，吸收回路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，當(dāng)電流過(guò)零點(diǎn)后，焊機(jī)輸出端釋放出瞬時(shí)高于350 V的電壓，使得電流迅速過(guò)零點(diǎn)并繼續(xù)迅速上升到一定值，此過(guò)程可以保證在焊接過(guò)程中電流過(guò)零點(diǎn)電弧重新引燃，不發(fā)生斷弧現(xiàn)象。

交流脈沖（碳鋼）實(shí)際焊接波形如圖8所示。在EP極性階段，脈沖基值電流為30 A，在EN極性階段，脈沖基值電流為60 A。焊接過(guò)程中在每個(gè)脈沖的基值即將結(jié)束時(shí)進(jìn)行電流換向?？梢钥闯?，在電流換向過(guò)程中，電流迅速過(guò)零點(diǎn)，電弧被重新引燃，焊接過(guò)程穩(wěn)定。

交流脈沖（鋁合金）實(shí)際焊接波形如圖9所示。

在EP極性階段，脈沖基值電流為80 A，在EN極性階段，脈沖基值電流為60 A。鋁合金的交流脈沖控制方法不同于碳鋼的交流脈沖控制方法，電流換向在脈沖基值的中間階段進(jìn)行。從圖中可以看出，在電流換向過(guò)程中，電流迅速過(guò)零點(diǎn)，過(guò)程穩(wěn)定。

4.2 實(shí)際焊縫剖面

1.2 mm板厚的碳鋼搭接焊在不同交流比率條件下的焊縫剖面如圖10所示。焊接規(guī)范為：設(shè)定電流75 A，設(shè)定電壓20 V，焊接速度60 cm/min。

2.0 mm板厚的鋁鎂合金1.0 mm間隙搭接焊在不同交流比率條件下的焊縫剖面如圖11所示。焊接規(guī)范為：設(shè)定電流75 A，設(shè)定電壓18 V，焊接速度50 cm/min。

碳鋼不同交流比率焊縫熔深對(duì)比如表1所示，鋁合金不同交流比率焊縫熔深對(duì)比如表2所示，由圖10、圖11及表1、表2可知，在送絲速度和焊接速度不變的情況下，隨著交流比率的增加，熔深明顯變淺。交流脈沖MIG焊接可控制焊縫熔深，有效解決薄板焊接時(shí)的燒穿問(wèn)題，可用于0.5 mm厚鋁合金板的焊接。

5 結(jié)論

維持交流MIG焊接電源焊接電弧穩(wěn)定的關(guān)鍵有兩個(gè)：一是盡量加快電流的極性切換速度，降低再引燃電弧的難度;二是在電弧熄滅的瞬間，采取有效措施給電弧空間施加一定的再燃弧電壓，重新引燃電弧。文中通過(guò)箝位電容C1及箝位電路，實(shí)現(xiàn)在交流輸出過(guò)零點(diǎn)時(shí)，在輸出端產(chǎn)生一個(gè)高于350 V的電壓幫助電弧重新引燃，從而實(shí)現(xiàn)交流MIG焊接電弧的穩(wěn)定。

與直流脈沖MlG焊接相比，交流脈沖MIG焊接的電弧能量被更有效地用于焊絲的熔化加熱，熱輸入低、熔深可控、間隙適應(yīng)能力強(qiáng)、焊接變形小，在薄板高速焊接時(shí)可有效解決燒穿問(wèn)題。

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收稿日期：2020-06-10

作者簡(jiǎn)介：侯潤(rùn)石（1978— ），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事智能化焊接電源及焊接機(jī)器人的研究工作。E-mail：hours@kaierda.cn。