局部干法水下快頻脈沖MIG焊電源研制

王振民，賈建軍，胡健良，廖海鵬，吳健文，張芩

(1.華南理工大學(xué),機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣州,510641；2.華南理工大學(xué),計(jì)算機(jī)科學(xué)工程學(xué)院,廣州,510006)

0 序言

水下焊接技術(shù)主要包括干法、濕法以及局部干法三大類[1]，其中局部干法兼顧了干法高質(zhì)量以及濕法低成本的優(yōu)勢，尤其是局部干法水下熔化極惰性氣體保護(hù)焊(local dry underwater metal inert-gas welding，LDU-MIG)因具有生產(chǎn)效率高、可焊金屬范圍廣等特點(diǎn)，已成為水下焊接領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[2].目前，對LDU-MIG焊接的研究主要集中于脈沖MIG焊接組織、熔滴過渡和力學(xué)性能等[3-5].在LDU-MIG焊接過程中，由于水的快速冷卻作用，會導(dǎo)致熔池中氣孔逸出困難，形成焊縫缺陷；焊絲熔化金屬也不易于與熔池液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)均勻化，影響焊縫合金元素分布的一致性；水下焊接過程具有加熱范圍小、溫度梯度大等特點(diǎn)，焊后工件極易存在較大殘余應(yīng)力，進(jìn)而引發(fā)裂紋、疲勞破壞或應(yīng)力腐蝕等問題[6-7]；在水下焊接過程中會受到水汽等因素的影響，容易導(dǎo)致焊接過程出現(xiàn)斷弧、電弧重燃困難[8].上述復(fù)雜的水下焊接工況對LDU-MIG焊接電源的動(dòng)特性和控制精度提出了很高的要求.

在陸地焊接時(shí)，有學(xué)者把高頻脈沖電流添加在自由電弧上，發(fā)現(xiàn)可以提升電弧的能量密度和穩(wěn)定性，并可利用高頻脈沖強(qiáng)烈的電磁攪拌作用細(xì)化焊縫晶粒[9]，進(jìn)而提升合金元素均勻性.近年來，有學(xué)者提出了快頻脈沖焊接的概念[10]，已有研究發(fā)現(xiàn)，將快頻脈沖應(yīng)用于脈沖MIG焊時(shí)，不僅氣孔率顯著降低，焊縫接頭力學(xué)性能也可得到改善[11-12]，因此將快頻脈沖引入水下焊接，有望提高水下焊接質(zhì)量.目前，LDU-MIG焊接電源普遍采用硅基功率器件作為開關(guān)器件，其開關(guān)性能參數(shù)已經(jīng)接近其理論極限，逆變頻率通常只能達(dá)到20～ 50 kHz，難以滿足LDU-MIG焊接工藝對焊接電源超高動(dòng)特性的需求[13].此外，快頻脈沖調(diào)制過程的高、低脈沖耦合會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，也會影響焊接電源的控制精度和可靠性.隨著第三代寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展，SiC 功率器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，擁有比硅功率器件更低的導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗更低、更高的工作溫度和耐壓能力以及更強(qiáng)的抗輻射能力，可顯著提高焊接電源的綜合性能[14]，為研制可應(yīng)用于復(fù)雜水下焊接環(huán)境的快頻脈沖焊接電源提供了支撐.

基于上述思路，利用SiC 模塊(CAS120M12BM2)研制了一套可穩(wěn)定輸出0～ 30 kHz 規(guī)整快頻脈沖波形的SiC 模塊快頻脈沖焊接電源，通過全數(shù)字化的波形控制技術(shù)，可精確輸出多種類型的快頻脈沖波形.提出局部干法水下快頻脈沖MIG(local dry underwater fast-frequency pulsed MIG,LDUFFPMIG)焊接新工藝，探究快頻脈沖對304 不銹鋼LDU-MIG焊縫微觀組織的影響.

1 LDU-FFPMIG 電源總體設(shè)計(jì)

1.1 功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所研制的LDU-FFPMIG焊接電源采用輸入輸出雙并聯(lián)(IPOP)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[15]，如圖1 所示，由三相整流濾波電路、快頻脈沖主電路和基值電流主電路組成，兩路主電路并聯(lián)輸出至焊接負(fù)載.該結(jié)構(gòu)非常適合低壓大電流輸出場合，在大電流輸出時(shí)可將電流應(yīng)力分給兩路共同承擔(dān)，對元件的通流要求更低，而且兩種主電路的開關(guān)元件可以單獨(dú)調(diào)控，每一路主電路都可以輸出幾種不同的波形，方便進(jìn)行波形調(diào)制.

圖1 SiC 模塊快頻脈沖電源IPOP 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 SiC module fast-frequency pulsed power supply IPOP topology structure

快頻脈沖主電路和基值電流主電路都包含全橋逆變電路、全波整流電路，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示.快頻脈沖主電路獨(dú)有的高頻電流切換電路和防反灌電容可以產(chǎn)生高頻周期性變化的快頻脈沖.全橋逆變電路主要由SiC 模塊M1-M4 構(gòu)成，將直流電逆變成100 kHz的交流電.Ci為逆變后隔離直流成分的隔直電容，防止直流信號的通過，全波整流采用超快恢復(fù)二極管MF300A06F2N 搭建，把高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電；L1為大電流輸出穩(wěn)流電感，可以保證輸出電流穩(wěn)定，減小輸出電流紋波；高頻電流切換電路為快頻脈沖電流產(chǎn)生的關(guān)鍵，由兩個(gè)IGBT 開關(guān)管Q1和Q2構(gòu)成，為了防止并聯(lián)IGBT開通時(shí)串聯(lián)RC 吸收造成電容放電至焊接負(fù)載，出現(xiàn)負(fù)電流，采用并聯(lián)R8和C8吸收電路可有效防止快頻脈沖電流回流.電容C9可以增加快頻電流輸出時(shí)的容抗，在一定負(fù)載電阻范圍內(nèi)起到防止基值電流主電路電流倒灌的作用，增強(qiáng)電源的可靠性.

圖2 SiC 模塊快頻脈沖焊接電源主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Main circuit structure of SiC module fast-frequency pulsed welding power supply

1.2 全數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于輸出快頻脈沖電流時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁干擾，對焊接電源的控制系統(tǒng)要求很高，而現(xiàn)有的焊接電源大多采用模擬控制，極易受到電磁干擾的影響而造成輸出失真，無法實(shí)現(xiàn)快頻脈沖電流的精準(zhǔn)控制，難以保證穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量焊接，因此具有多路驅(qū)動(dòng)控制、隔離保護(hù)、脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)、故障檢測等功能的全數(shù)字化快頻脈沖焊接電源控制系統(tǒng)成為迫切需要.

圖3 為快頻脈沖焊接電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以ARM 最小控制系統(tǒng)為核心，選用高性能的STM32F405RGT6 芯片，高達(dá)168 MHz的主頻可以更快速處理焊接過程的各個(gè)任務(wù)，及時(shí)對復(fù)雜的水下焊接工況做出反應(yīng)，豐富的外設(shè)可以外接很多外圍控制電路，滿足電源的多功能要求.PWM 信號經(jīng)隔離后輸入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，對兩路主電路中的高頻逆變、高頻切換電路和送絲機(jī)進(jìn)行控制；電流電壓采樣電路的反饋電信號經(jīng)ADC 采集后進(jìn)行數(shù)字濾波處理，對輸出電流電壓以及送絲速度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整；TIM 對整個(gè)焊接流程、焊接波形和采樣進(jìn)行控制；GPIO 輸出端口通過外圍電路對指示燈、繼電器進(jìn)行控制以及過壓過流保護(hù)等；UART 和CAN通訊實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接電源系統(tǒng)各個(gè)部分的信息聯(lián)通，便于對焊接過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制.

圖3 快頻脈沖焊接電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Control system structure of fast-frequency pulsed welding power supply

2 快頻脈沖波形調(diào)制

2.1 快頻脈沖波形形成原理

焊接電流波形決定著熔滴過渡類型、電弧特性以及焊縫成形好壞.圖4 為焊接電源能夠輸出的最復(fù)雜的快頻脈沖波形.快頻脈沖主電路的直流電經(jīng)由高頻電流切換電路形成如圖4(a)所示的0～30 kHz的快頻電流IF，基值電流主電路產(chǎn)生如圖4(b)所示的直流雙脈沖電流，兩者并聯(lián)調(diào)制后形成如圖4(c)所示的快頻雙脈沖電流波形.

圖4 快頻雙脈沖波形形成原理Fig.4 Principle of fast-frequency dual pulsed waveform formation.(a) fast-frequency pulsed main circuit waveform; (b) basic current main circuit waveform; (c) fast-frequency double pulsed current waveform

在快頻脈沖電流波形中，IF幅值頻率可調(diào)，雙脈沖基、中、峰值電流IB，IM和IP幅值可調(diào)，雙脈沖峰值占空比DP可調(diào)，中頻和低頻周期TM和TL可變，每個(gè)參數(shù)都有其作用.TM，IM和IP調(diào)到合適參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)脈沖過渡一個(gè)熔滴；IB可以為最小焊接電流，可以起到維弧的作用；TL調(diào)整可以使電弧力和熱輸入實(shí)現(xiàn)周期性變化，達(dá)到攪拌熔池的目的；快頻電流IF由于電流快速變化而產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場，根據(jù)電流變化方向，電弧沿徑向受到收縮的電磁力，電弧挺度提升，防止熔融金屬下流，高頻脈沖的頻率越高，波峰與波谷切換的速度越快，電弧收縮程度越明顯，對熔池產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用.

2.2 波形控制流程設(shè)計(jì)

針對LDU-FFPMIG焊接電源超高動(dòng)特性的需求，為得到圖4 所示的規(guī)整快頻脈沖波形，設(shè)計(jì)了圖5 所示的快頻脈沖波形調(diào)制程序流程圖，整體采用定時(shí)器TIM 對各個(gè)電流的切換進(jìn)行控制，波形調(diào)控開始后，初始化各個(gè)參數(shù)，直接打開高頻電流切換開關(guān)，輸出PWM 波形，快頻脈沖主電路和基值電流主電路分別以電流IF和IP輸出直流電，高頻切換開關(guān)打開后，IF變成0～ 30 kHz的高頻電流輸出，然后開始進(jìn)行雙脈沖波形調(diào)制，對基值主電路的雙脈沖基中峰值電流IB，IM和IP進(jìn)行調(diào)制，最后疊加輸出快頻雙脈沖波形.改變TM，IB，IM，IP參數(shù)和調(diào)控流程可以輸出不同的快頻脈沖波形，因此SiC 快頻脈沖焊接電源可以實(shí)現(xiàn)三種不同的焊接模式.

圖5 快頻脈沖波形調(diào)制程序流程圖Fig.5 Flow chart of fast-frequency pulsed waveform modulation program

(1)模式1(直流脈沖模式)：可以實(shí)現(xiàn)恒流輸出和直流脈沖輸出(包括直流單脈沖和直流雙脈沖)，可以滿足不同的局部干法水下直流MIG焊需求.

(2)模式2(直流快頻脈沖模式)：普通恒流或者單脈沖上疊加0～ 30 kHz的快頻脈沖，可以使電弧收縮，增加電弧穩(wěn)定性和熔池的攪拌作用，探究快頻脈沖對局部干法水下單脈沖MIG焊的影響.

(3)模式3(直流快頻雙脈沖模式)：包含兩種快頻雙脈沖波形，一種是在在中低頻的普通雙脈沖波形中嵌設(shè)快頻脈沖，一路主電路實(shí)現(xiàn)三種頻率的波形疊加輸出，基值電流主電路提供穩(wěn)定的引弧和維弧電流；另一種是在普通雙脈沖波形上疊加快頻脈沖，兩路疊加實(shí)現(xiàn)三種頻率波形輸出，兩種波形既可以探究快頻脈沖對局部干法水下雙脈沖MIG焊的影響，也可以探究不同波形對水下焊接工藝的影響.

3 整機(jī)性能與工藝試驗(yàn)

3.1 電源外特性與效率

為了測試所研制LDU-FFPMIG焊接電源的動(dòng)特性和控制精度，利用模擬負(fù)載電阻器、力科HDO4000 系列高分辨率示波器以及相應(yīng)探頭和功率分析儀搭建了焊接電源測試平臺，對焊接電源的外特性和效率進(jìn)行了測試.圖6 為所研制的快頻脈沖MIG焊電源的外特性曲線，在400 A 電流輸出時(shí)誤差在10 A 之內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)恒流陡降外特性，電流輸出控制精度較高.

圖6 電源外特性曲線Fig.6 External characteristic curve of power supply

圖7 為所研制的LDU-FFPMIG焊接電源的效率測試曲線，由于采用硬開關(guān)電路加上雙路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而且快頻調(diào)制電路使用的是硅基IGBT，開關(guān)元件上的熱損耗較大，但整機(jī)最高效率仍能達(dá)90.71%，實(shí)現(xiàn)200 A 快頻脈沖電流輸出時(shí)仍能滿足焊接電源的高效率要求.

圖7 電源效率測試曲線Fig.7 Power efficiency test curve

3.2 LDU-FFPMIG焊接電源輸出波形測試

LDU-FFPMIG焊接電源能輸出的三種模式電流波形如圖8 所示.圖8(a)為在周期5 Hz 低頻脈沖中融入周期50 Hz的中頻脈沖的實(shí)際輸出雙脈沖電流波形，是模式1 中的一種波形，該波形規(guī)整，輸出電流平均值與面板設(shè)定值一致，誤差可以控制在2 A 以內(nèi)，有研究表明，SiC 模塊焊接電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比硅基焊接電源提升了5 倍左右[16]；圖8(b)為模式2 所能輸出的全部波形，第一個(gè)波形為快頻脈沖電流波形，去掉單脈沖后就變成了第二個(gè)恒流快頻脈沖波形，時(shí)基放大后就成為第三個(gè)波形，在快頻脈沖電流頻率為20 kHz，幅值為200 A時(shí)，電流上升時(shí)間為9.0 μs，電流下降時(shí)間為11.8 μs，仍能保證超高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；圖8(c)為模式3 所能輸出的兩種快頻雙脈沖電流波形.整體來看，電源輸出波形規(guī)整，具有超高的動(dòng)特性和控制精度.

圖8 三種模式輸出的電流波形Fig.8 Current waveform output in three modes.(a)waveform of mode one; (b) waveform of mode two; (c) waveform of mode three

3.3 304 不銹鋼焊接工藝

試板為304 不銹鋼板，尺寸為300 mm ×100 mm × 5 mm，焊絲為直徑1.2 mm的ER308Lsi，作業(yè)水深200 mm；保護(hù)氣體和排放氣體均為99.9%純氬氣，壓力均為0.2 MPa.試驗(yàn)方法為局部干法水下堆焊，快頻脈沖焊接過程平均電流為170 A，快頻脈沖頻率為20 kHz，具體參數(shù)如表1 所示.焊接前所有試板都用砂紙進(jìn)行機(jī)械拋光，無水乙醇進(jìn)行化學(xué)清洗，去除灰塵、油和其他雜質(zhì).焊后采用線切割機(jī)對焊縫切割取樣，拋光蝕刻后得到金相樣品，采用Leica(DMI3000M)光學(xué)顯微鏡觀察焊縫顯微組織.

表1 快頻脈沖焊接試驗(yàn)對比參數(shù)Table 1 Comparison parameters of fast-frequency pulsed welding test

3.4 焊縫顯微組織特征

圖9 為304 不銹鋼堆焊試驗(yàn)焊縫宏觀形貌與顯微組織.圖9(a)為表1 參數(shù)焊接得到的宏觀焊縫，焊縫表面連續(xù)性好，沒有出現(xiàn)熄弧和斷?。豢祛l單脈沖焊接的焊縫更直，說明快頻脈沖電弧具有更好的電弧挺度，更強(qiáng)的抑制高壓排水氣體干擾能力，焊接過程更為穩(wěn)定;圖9(d)為快頻單脈沖焊接焊縫的熔深和熔寬，與圖9(c)傳統(tǒng)單脈沖焊接焊縫相比，熔深提高，熔寬下降，焊縫成形系數(shù)降低30%，說明高頻電流的加入使電弧能量更為集中，對熔池產(chǎn)生更大的脈沖電弧力;圖9(b)焊縫各區(qū)的劃分，由于水下焊接過程中具有較強(qiáng)的冷卻效應(yīng)，熱影響區(qū)(HAZ)的面積很小，所以文中重點(diǎn)分析WM 區(qū)的微觀結(jié)構(gòu).在水下焊接過程中，幾乎全部是奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，而鐵素體傾向于在高溫生長(接近1 300 ℃)，水下焊接過程中的冷卻速率遠(yuǎn)高于陸地焊接過程，鐵素體在較低的溫度下不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，產(chǎn)生骨架狀δ-鐵素體[17].圖9(e)和圖9(f)為傳統(tǒng)單脈沖和快頻單脈沖焊縫WM 區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，可看出快頻脈沖焊接對晶粒有明顯的細(xì)化作用，根據(jù)相形態(tài)和相分布特征，確定輕塊狀相為奧氏體，暗條狀相為鐵素體，快頻單脈沖焊縫的板條狀δ-鐵素體含量顯著減小，而骨架狀δ-鐵素體和γ-奧氏體含量增加，進(jìn)一步說明快頻脈沖電流的加入使電弧能量密度更集中，促進(jìn)鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變.

圖9 304 不銹鋼堆焊實(shí)驗(yàn)焊縫宏觀形貌與顯微組織Fig.9 Macro morphology and microstructure of 304 stainless steel overlay welding experiment weld seam.(a) welding seam; (b) macroscopic morphology of weld seam; (c) single pulsed; (d) fastfrequency single pulsed; (e) single pulsed (WM area); (f) fast-frequency single pulsed (WM area)

4 結(jié)論

(1)基于SiC 模塊，采用IPOP 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和全數(shù)字化控制方式，研制出輸出電流達(dá)400 A、快頻頻率0～ 30 kHz 可調(diào)、快頻脈沖幅值達(dá)200 A、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好和控制精度高的LDU-FFPMIG焊接電源.

(2)研制的LDU-FFPMIG焊接電源能輸出多種不同的快頻脈沖電流波形和傳統(tǒng)脈沖電流波形，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的LDU-FFPMIG焊接，可根據(jù)實(shí)際焊接需求，調(diào)整所需參數(shù)和焊接模式，滿足不同的LDU-MIG焊接工藝需求.

(3)與傳統(tǒng)局部干法水下單脈沖MIG焊接相比，快頻單脈沖焊接時(shí)，抑制高壓排水氣體干擾能力更強(qiáng)、焊接過程更穩(wěn)定、電弧能量更集中，焊縫熔深提高、熔寬降低、焊縫成形系數(shù)減少30%，對WM 區(qū)的晶粒有細(xì)化作用，為LDU-MIG焊接質(zhì)量的提升提供新思路.