正弦波脈沖MIG焊鋁的正弦振幅參數(shù)調控*

魏仲華 龍鵬 薛家祥

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640)

近年來，由于節(jié)能以及特殊應用，要求產(chǎn)品盡可能輕量化，因此輕金屬材料在市場中得到越來越廣泛的應用.鋁合金因其重量輕、耐腐蝕、比強度高、價格適中等優(yōu)點，用途日益增多.無論是在陸軍車輛、海軍艦船、航空航天等軍工領域，還是在壓力容器、汽車等一般民用領域，都廣泛采用鋁合金焊接結構.同時鋁合金也是建造鐵路高速列車的最佳原料之一，隨著高速鐵路的迅猛發(fā)展，需求量越來越大.焊接技術是鋁合金加工制造技術的關鍵［1］.但鋁合金在焊接過程中存在諸多難點，諸如傳熱快、要求低的焊接能量輸入等.

脈沖熔化極惰性氣體保護焊(以下簡稱“脈沖MIG焊”)具有熔滴可控且均勻可靠、飛濺少、焊縫成型美觀等優(yōu)點，在目前工業(yè)生產(chǎn)實用中，是一種焊接質量較好的熔化極焊接方法.國內外均對此做過焊接機理和工藝方法方面的研究［2-3］.為解決鋁合金的諸多焊接技術難點，研究者在常規(guī)脈沖MIG焊技術的基礎上開發(fā)出一種具有熔池攪拌作用的雙脈沖MIG焊接技術［4］，早在20世紀末日本就開始應用其焊鋁［5］;該技術能獲得較好的焊縫外觀和較高的焊接效率，并可減少氣孔氣泡發(fā)生率，細化焊縫晶粒［4］.目前為止，雙脈沖MIG焊是鋁合金焊接的最佳解決方案之一，但不具備普遍的系統(tǒng)理論規(guī)律性.

國外在鋁合金焊接專家數(shù)據(jù)庫領域做得最出色的是奧地利的Fronius公司，其已開發(fā)出一系列帶有專家數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化逆變式脈沖 MIG/MAG焊機［6］，該類高端機售價高達數(shù)十萬人民幣，其核心是不斷升級適用于多種焊材的專家數(shù)據(jù)庫［7］.國內在這方面尚處于研究試驗階段，重要工業(yè)生產(chǎn)中仍然大量進口Fronius、Closs和OTC等國外廠商的產(chǎn)品.要建立高水平鋁合金焊接專家數(shù)據(jù)庫，需通過數(shù)學建模和大量工藝試驗檢測，并調試出各個參數(shù)的最佳匹配關系［8］，因此掌握脈沖MIG焊鋁參數(shù)調整方法的系統(tǒng)理論規(guī)律性成為關鍵.

文中基于正弦波調制脈沖MIG焊的原理方法［9］，建立了正弦波脈沖MIG焊鋁的正弦振幅等參數(shù)的簡化關系式，并進行試驗驗證，以期為研制性能穩(wěn)定的新型數(shù)字化焊接設備提供理論及試驗基礎.

1 正弦波脈沖MIG焊鋁參數(shù)設定

1.1 調制脈沖電流峰(基)值的正弦波

如圖1所示，I為焊接電流，t為焊接時間，AI為隨時間t變化的正弦曲線的振幅，T為此正弦曲線的周期，Ik為脈沖電流峰值，tk為其持續(xù)時間，I0為其初始值，t1為每個周期T中第1個脈沖電流峰值的持續(xù)時間，I'k為脈沖電流基值，t'k為其持續(xù)時間，I'0為其初始值，t'1為每個周期T中第1個脈沖電流基值的持續(xù)時間.

圖1 正弦波調制的脈沖電流峰值與基值及其時寬Fig.1 Sinusoid modulation pulse current peak，base values and their continuing time

正弦波調制脈沖MIG焊鋁的方法是:設計兩條隨著時間t變化的平行移動的振幅均為AI的正弦曲線，用其調制脈沖電流峰值和基值，該正弦曲線振幅AI的大小變化直接控制著脈沖電流峰值Ik(或基值I'k)偏離初始值I0(或I'0)的大小程度，相應地，脈沖電流峰值和基值的時間持續(xù)寬度tk與t'k的大小變化也同樣由周期相同的正弦曲線調制，其振幅均為At.這些參數(shù)之間的關系如下:

式中:k=1，2，…，N;0≤AI≤I'0;0≤At≤t'0;t0與t'0分別為tk與t'k的初始值;N為大于0的自然數(shù).

1.2 正弦波脈沖MIG焊鋁的控制參數(shù)設定

圖2示出了正弦波調制脈沖MIG焊鋁的脈沖電流控制參數(shù)，其中:Ipi為脈沖電流峰值，Ip0為其初始值;tpi為脈沖峰值電流時寬;Ibi為脈沖電流基值，Ib0為其初始值;tbi為脈沖基值電流時寬.

圖2 正弦波調制的脈沖電流控制參數(shù)Fig.2 Controlling parameters of sinusoid modulation pulse current

1.2.1 參數(shù)設定條件分析

根據(jù)式(1)－(4)，有:

即

式中:，i=1，2，…，N;ti為至第i個脈沖時全部i個電流脈沖時間的累計總和;tp0與tb0分別為tpi與tbi的初始值;0≤AI≤Ib0;Atp為正弦波脈沖峰值電流時寬的振幅，0≤Atp≤tp0;Atb為脈沖基值電流時寬的振幅，0≤Atb≤tb0.

可見，脈沖峰(基)值電流Ipi(Ibi)的數(shù)值大小經(jīng)正弦函數(shù)sin(2ti/T)調制，以其初始值Ip0(Ib0)為中心變化，其變化幅度在振幅AI限制的正負值范圍內.

在選定基值電流初始值Ib0時，必須使Ib0－AI滿足最小維弧電流值，否則將不能維持焊接過程.對于脈沖電流基值Ibi與脈沖電流峰值Ipi，選定相同的正弦調制振幅AI，使得脈沖電流峰值與基值之間的能量變化可調范圍倍增，從而有利于適用能量可調范圍要求更大的焊接材料和焊接條件.

通常情況下，一脈一滴被認為是脈沖焊的最佳狀態(tài)，而在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，射滴過渡的焊接狀態(tài)也能產(chǎn)生高質量的焊縫［10］.因此，在選定脈沖峰值電流初始值Ip0和AI時，只需要根據(jù)不同焊絲的一脈一滴臨界電流曲線圖表，確保Ip0－AI滿足一脈一滴的最小電流值，也就是使正弦波形變化的全部電流脈沖中的最小脈沖電流值滿足一脈一滴的最小臨界值，即可實現(xiàn)一脈一滴與一脈多滴射流狀態(tài)交織的理想焊接過程.經(jīng)過正弦波的調制，可使一脈一滴與一脈多滴射流狀態(tài)交織變化的過程呈現(xiàn)出平滑穩(wěn)定的特點.如振幅AI的數(shù)值大小為零，意味著失去正弦波的調制作用.所以在0～Ib0范圍內，振幅AI的數(shù)值大小存在較好的、穩(wěn)定的工作區(qū)間.

1.2.2 控制參數(shù)的設定

對于差異變化較大的焊接材料和焊接條件，諸如鋁合金等輕質材料，需要更大程度地擴大脈沖電流基值和峰值之間的能量變化范圍，為實現(xiàn)更大變化范圍的平滑穩(wěn)定的系統(tǒng)調節(jié)功能，不妨設定:n和m均為大于0的自然數(shù)，在一個正弦波周期T內，正弦波負半周期內的峰值電流脈沖個數(shù)為n;正弦波正半周期內的峰值電流脈沖個數(shù)為n的m倍，即為mn個.并設定K為大于或等于0的自然數(shù)，N為一個正弦波周期中的電流脈沖個數(shù)，κ是調制脈沖電流的正弦波的振幅系數(shù)，其值為正弦波振幅AI與脈沖基值電流初始值Ib0的百分比值，即κ=AI/Ib0，i和j皆為大于0的自然數(shù).則有

在保持正負半周期相等且均為T/2時，設定tp0= 2t0，tb0=3t0，Atp=Atb=t0/m，AI=κIb0，根據(jù)式(7)和式(8)得:

KN＜j≤KN+mn時，

KN+mn＜j≤K(N+1)時，

即

同理得

結合式(9)得

即

相應地，忽略脈沖電流峰值持續(xù)時間tpj的變化所造成的高級小量，即忽略與之差值，以及與之差值，則可簡化得到運算速度顯著加快的相應關系式.

脈沖峰值電流為:

KN＜j≤KN+mn時，

KN+mn＜j≤(K+1)N時，

脈沖基值電流為:

KN＜j≤KN+mn時，

KN+mn＜j≤(K+1)N時，

若設定tp0=2t0，tb0=2t0，Atp=Atb=t0/m，AI= κIb0，同樣保持正負半周期相等且均為T/2時，則有: KN＜j≤KN+mn時，

KN+mn＜j≤K(N+1)時，tbj=2(2m－1)t0+

則有

相應脈沖峰值電流的簡化關系式同式(15)和式(16)，相應基值電流簡化關系式同式(17)和式(18).

基值(或峰值)電流時寬初始值tb0(或tp0)的設定變化會直接造成周期T的大小變化，雖然相應的脈沖基值電流簡化關系式和脈沖峰值電流簡化關系式均未變，但總的焊接時間段內平均單位時間焊接能量輸入隨之發(fā)生了相應的變化.由于正弦波調制的脈沖之間擁有平穩(wěn)過渡的優(yōu)點未變，所以其焊接穩(wěn)定性保持不變.

2 試驗與結果分析

2.1 試驗方案設計

試驗系統(tǒng)由脈沖MIG焊軟開關500A逆變焊機、焊接實驗臺、焊接電弧動態(tài)小波分析儀、焊接小車自動控制器等設備構成.試驗基本條件如下:焊絲牌號為ER1070純鋁，其直徑為1.2mm;保護氣體為高純氬，氣體流量為20L/min;焊絲伸出長度為15mm;試件為3.0mm厚的鋁板;采取平板堆焊.

在每個正弦波周期T內，設定脈沖電流峰值總個數(shù)為N，在保持正負半周期相等且恒為T/2的同時，使正弦波正半周期內的脈沖電流峰值個數(shù)為其負半周期內相應個數(shù)的m倍，κ=AI/Ib0，選定N= 48，m=2，tp0=tb0=2t0，Atp=Atb=t0/m.

2.2 試驗結果與分析

圖3(a)是κ=0時動態(tài)小波分析儀［11］采集的區(qū)間A的原始焊接電流的實時波形及對應的焊縫照片，因κ=0，即AI=0，脈沖電流峰值與基值沒有經(jīng)正弦波調制，其大小維持不變，相當于通常的雙脈沖焊接，從焊縫照片可見，焊縫雖呈現(xiàn)魚鱗狀，但表面灰暗不光亮，含有眾多微氣泡微塵渣，這是因為，脈沖電流峰值與基值維持不變，熔池內缺乏足夠變化的電磁場攪動，不利于氣泡塵渣逸出.圖3(b)－(e)示出了κ＞0時采集的區(qū)間A的原始焊接電流的實時波形及對應的焊縫照片，原始焊接電流均為典型的正弦波調制的脈沖波形，在κ逐漸增大時，即正弦波振幅AI逐漸增大時，穩(wěn)定的瞬時電流波形均直接反應出了焊接過程的穩(wěn)定性［12-13］.但從各圖中的焊縫照片比較可見:圖3(b)－(c)的焊縫均呈現(xiàn)出穩(wěn)定的魚鱗紋，圖3(d)－(e)的焊縫同圖3(a)的類似，雖均呈現(xiàn)魚鱗狀，但表面灰暗不光亮，含有眾多微氣泡微塵渣.這是因為，正弦波振幅AI過大時，熔池內變化的電磁場攪動太大，也不利于氣泡塵渣逸出.實驗過程顯示:當κ＜15.0%，特別是當 κ＜5.0%且κ→0時，即振幅AI逐漸變小至零時，脈沖電流峰值和基值的波動變小趨于零，焊接參數(shù)匹配范圍逐漸變窄，不易確定，穩(wěn)定工作點區(qū)域隨之變小，受外部環(huán)境影響加大，以致焊接速度難以匹配;隨著熔池內電磁場攪動逐漸變弱，越來越不利于氣泡塵渣逸出，微氣泡微塵渣越來越多，焊縫逐漸灰暗不光亮.

圖3 區(qū)間A的原始焊接電流的實時波形及對應的焊縫照片F(xiàn)ig.3 Real-time welding current waveforms in duration A and corresponding welding seam photos

當κ=29.6%～37.5%時，即正弦波振幅AI逐漸變得過大時，脈沖峰值電流初始值Ip0與脈沖基值電流初始值Ib0之差卻逐漸變小，同時出現(xiàn)焊接參數(shù)匹配范圍逐漸變窄，不易確定，穩(wěn)定工作點區(qū)域隨之變小，受外部環(huán)境影響加大等問題;隨著熔池內電磁場攪動逐漸變得太大，過快，類似于流體力學中的紊流狀態(tài)，也是越來越不利于微氣泡微塵渣逸出，微氣泡微塵渣增多，焊縫逐漸灰暗不光亮.特別是當κ大于37.5%時，很難維持穩(wěn)定的焊接，難以獲得連續(xù)成形的焊縫.

在15.0%≤κ≤23.1%的范圍內，當κ→19%時，則呈現(xiàn)出獲得好的焊接結果的趨向，這為實現(xiàn)理想的焊接及其參數(shù)選擇提供了明確方向和范圍.實驗結果表明:當15.0%≤κ≤23.1%時，焊接參數(shù)值匹配范圍寬，穩(wěn)定工作點區(qū)域大，受外部環(huán)境影響小，對焊接速度、送絲機響應速度等因素的匹配要求低，即使有少許偏差也不會影響到焊接穩(wěn)定性及其焊接質量，如圖3(b)和(c)所示，焊縫均勻成形好，表面光亮，無微氣泡、微塵渣，焊縫周圍飛濺少，均呈現(xiàn)和正弦波形相對應的穩(wěn)定優(yōu)質的魚鱗紋焊縫.

試驗過程及結果表明，正弦波調制脈沖MIG焊不僅具有焊接過程穩(wěn)定、焊接能量可有效精確調節(jié)等特點，而且當15.0%≤κ≤23.1%時，同時擁有焊接參數(shù)匹配區(qū)間寬，穩(wěn)定工作點區(qū)域大，受外部環(huán)境因素影響小且匹配要求低等優(yōu)點，特別適用于鋁合金類等輕質材料的焊接.

3 結論

(1)建立了新型正弦波調制脈沖MIG焊鋁的正弦振幅等參數(shù)的簡化關系式，提出了一種新的脈沖MIG焊參數(shù)匹配方法.試驗結果表明:所建立的簡化關系式是正確的，具有實用性;基于利用正弦波的永恒周期性、無限階導數(shù)連續(xù)性等特征，該方法易于穩(wěn)定獲得理想的魚鱗紋焊縫.

(2)試驗表明，簡化關系式中振幅系數(shù)的數(shù)值范圍為15.0%≤κ≤23.1%時，正弦波調制脈沖焊具有參數(shù)值匹配區(qū)間寬、要求低，穩(wěn)定工作點區(qū)域大，受外部環(huán)境干擾因素的影響小等優(yōu)點，特別適于鋁合金類等輕質材料的焊接，為脈沖MIG焊鋁過程中各焊接參數(shù)的優(yōu)化匹配奠定了理論和試驗基礎.

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