Tandem雙絲氣保焊相位控制方法研究

蘇立虎

摘要：研究分析了Tandem雙絲脈沖氣保焊主從機不同相位匹配對電弧的影響。主從機雙絲協(xié)調(diào)焊接時，相位匹配有四大階段，模式1是主機與從機同時輸出脈沖，此時主從機脈沖為同相位匹配;模式2是主機到達脈沖峰值階段，從機開始輸出脈沖;模式3是主機在脈沖下降階段，從機輸出脈沖;模式4是主機在基值階段，從機開始輸出脈沖。采用松下全新開發(fā)的第二代雙絲焊接系統(tǒng)進行焊接試驗，結果表明，當采用模式1時，由于主從機兩電弧同時處于峰值階段且完全重合，干擾較大，造成較大的飛濺;模式2時，主從機峰值階段有部分重合，也存在電弧干擾，比模式1干擾小，也會有較大的飛濺;模式3時，主機脈沖熔滴開始脫落，如果在主機脈沖下降沿的初期，從機剛開始輸出脈沖，會對主機的熔滴過渡產(chǎn)生電弧沖擊，產(chǎn)生飛濺，飛濺比模式1和模式2小，在主機下降沿接近基值階段從機再輸出脈沖，飛濺小，電弧穩(wěn)定;模式4時，主機進入基值階段處于維弧時期，電流較小，此時從機輸出脈沖，主機電弧可能被拉斷，如果主機電弧正常，此時焊接效果良好，飛濺小，成形美觀。綜合4種模式，當主機下降階段，熔滴脫落完成后，從機輸出脈沖，此時相位匹配最合適，焊接效果最好。當主機設定電壓或干伸長發(fā)生變化時，相位匹配時刻自動調(diào)整。

關鍵詞：雙絲;相位;主機;從機;峰值;基值

中圖分類號：TG434.5 ? ? ?文獻標志碼：B ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0057-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.10

0 ? ?前言

雙絲焊接是近年來推出的高速高效焊接方法，通過兩臺送絲機分別將焊絲送入到一個熔池中[1]，具有熱影響區(qū)窄、焊接變形小、缺陷少等特征，可采用雙絲埋弧焊、雙絲氣保焊，是高速、高效、高質(zhì)量的焊接工藝方法，雙絲自動焊在國內(nèi)外的應用越來越廣泛[2]。文中針對主從機相位匹配的時刻進行試驗研究，當主從機設定電壓或干伸長發(fā)生變化時，相位匹配時刻應進行調(diào)整，為此提出了一種自動匹配相位時刻的方法。

1 雙絲焊接介紹

雙絲焊接技術是通過采用一臺電源或兩臺電源實現(xiàn)同時熔化兩根焊絲的焊接方法。根據(jù)使用電源臺數(shù)的不同，可分為單電源雙絲（見圖1a）、雙電源雙絲兩種;根據(jù)是否共電極，雙電源雙絲又可分為Tandem串聯(lián)雙絲（見圖1b）和TwinsArc并聯(lián)雙絲（見圖1c）。由于TwinsArc結構的雙絲需采用同相位模式，兩電弧之間的干擾較大，市場應用較少。Tandem結構的雙絲兩個電極彼此獨立，兩臺電源的焊接電流、電壓、送絲速度等參數(shù)可分別進行調(diào)節(jié)，但兩焊接電源之間需要相位協(xié)調(diào)、通信，結構較復雜，但由于焊接效果好，市場應用范圍很廣，國內(nèi)外研究該技術也較多。單電源雙絲技術目前市場應用較少，對機械結構要求較高，需要大功率的電源[3]。

2 試驗設備、內(nèi)容及分析

2.1 試驗設備

試驗設備采用唐山松下最新開發(fā)的第二代Tandem雙絲焊接系統(tǒng)（見圖2），系統(tǒng)包括2臺全數(shù)字逆變焊機、1臺通信接口裝置、1套鏡像送絲機、1臺機器人、1把雙絲焊槍及雙絲焊接專用軟件。

2.2 試驗內(nèi)容

Tandem雙絲焊接是兩根焊絲前后排列，根據(jù)實際焊接方向進行區(qū)分。與焊接方向一致且在前面的稱作前絲，另外一根為后絲[4]。一般前絲設定電流大，有利于形成較大的熔深，后絲電流小，起到填充蓋面的作用，兩根焊絲互相加熱充分利用電弧的能量，實現(xiàn)較大的熔敷率[5]。為保證焊接質(zhì)量和電弧的穩(wěn)定性，需要前后絲兩電弧匹配合適的相位，前后絲也稱為主機和從機，為研究主從機不同相位匹配對電弧的影響進行焊接試驗。試驗用焊絲為神鋼MG-51T絲徑為1.2 mm的普通碳鋼焊絲，焊接試板為普通Q235，板厚8 mm，試驗參數(shù)如表1所示。

相位匹配時刻按照脈沖階段分為4種，如表1所示，主從機相位匹配的4種模式如圖3所示。相位匹配的時刻實現(xiàn)方式為主機在特定時刻發(fā)送相位協(xié)調(diào)信號，從機接收到相位協(xié)調(diào)信號后，開始重新輸出脈沖，為接收到相位協(xié)調(diào)信號，維持基值階段，當基值階段維持時間超過設定值后，本次脈沖結束，重新輸出新的脈沖信號。根據(jù)主機脈沖的上升、峰值、下降、基值4個階段，分別發(fā)送相位信號，觀察電弧，判斷匹配時機是否適合。為驗證相位匹配時刻對焊接的影響，其他參數(shù)如主從機設定電流、電壓、焊接速度等保持不變的前提下進行焊接測試。

2.3 試驗分析

通過實際焊接，在主機脈沖的不同階段分別觸發(fā)相位協(xié)調(diào)信號，觀察主從機兩電弧狀態(tài)，通過波形記錄儀采集主從機電流、電壓、相位匹配時刻等波形。

在實際焊接時，流過兩根焊絲的電流是同向的，兩電弧之間互相吸引，根據(jù)畢奧-沙法爾定律，主機電流元ILeaddlLead在其周圍空間任意一點產(chǎn)生的磁場為

由安培定律可知，置于主機電流元ILeaddlLead的磁場的從機電流元ITraildlTrail所受到的安培力為dF= ITraildlTrail×dBLead

若用r12表示ILeaddlLead指向的矢徑，用r21表示ITraildlTrail指向的矢徑，并且令r=r12=r21，此時主機電流元對從機電流元的作用力為

同理可得從機電流元對主機電流元的作用力為

由上述公式可知，兩電流之間的作用力與兩電流的乘積成正比，主從機實際電流越大，所受到的作用力就越大。

針對主從機相位匹配的4種模式進行焊接試驗，并記錄相關波形，如圖4所示，從上至下依次為：CH1主機電壓波形、CH7從機電壓波形、CH3相位信號、CH8從機電流波形、CH2主機電流波形。

當主從機相位匹配使用模式1時，主從機電流脈沖峰值階段完全重疊，從波形可看出兩電流熔滴過渡時機不均勻，有時出現(xiàn)電壓較低，較大的短路，進而產(chǎn)生大顆粒飛濺，有時電壓合適，飛濺不大，但在焊接過程中兩電弧弧長時長時短，焊接不穩(wěn)定（見圖4a）。當使用模式2時，主從機電流脈沖峰值階段部分重合，電流波形比較均勻一致，此時電壓尤其是到基值電壓階段，非常不穩(wěn)定，此時由于主從機一部分峰值重合，作用力較大，一部分峰值階段與基值階段重合，對基值的作用力較大，引起基值電壓的上升，實際觀測電弧弧長較長，電弧抗干擾能力較差（見圖4b）。使用模式3時，主從機峰值階段不重合，距離較近，主機處于熔滴將要脫落階段，從機剛輸出脈沖，由于從機電流的存在，對主機電流產(chǎn)生吸引力，造成主機熔滴脫落發(fā)生偏移，引起電壓的不穩(wěn)定，弧長不穩(wěn)定，主機弧長的變化又影響從機熔滴的大小，此時可能會發(fā)生較大的液橋爆斷，產(chǎn)生大顆粒飛濺（見圖4c），如果模式3在主機熔滴脫落后進行相位匹配，焊接效果較好。使用模式4時，主機熔滴已經(jīng)脫落完成，處于基值維弧階段，此時從機輸出脈沖，兩電弧之間雖有作用力，但影響不大，實際焊接電流、電壓波形非常整齊，電弧穩(wěn)定，焊接效果很好，波形見圖4d。

3 相位匹配方法

由試驗可知，當主機發(fā)生熔滴脫落后再進行相位匹配，此時主從機電弧之間的作用力最小，干擾也最小，焊接效果好。在實際焊接過程中，難免會發(fā)生設定電壓、干伸長等外界擾動。當主機設定電壓、干伸長發(fā)生變化時進行試驗。主機設定電壓變化焊接試驗參數(shù)如表2所示，主機干伸長變化焊接試驗參數(shù)如表3所示，為驗證單一變量的影響，其他參數(shù)保持不變，表2、表3中第一行為主從機雙絲焊接標準狀態(tài)。

標準狀態(tài)即設定電壓為一元化電壓，實際焊接電流等于設定電流，調(diào)整相位匹配時機處于脈沖基值階段，此時主機熔滴已經(jīng)脫落，電弧穩(wěn)定。當主機設定電壓增加3 V時，不影響主從機兩電弧的穩(wěn)定性，只是由于主機設定電壓變大，實際焊接電壓升高。當主機設定電壓降低3 V時，發(fā)生較大短路，從短路發(fā)生時刻看，位置不一，大多數(shù)偏基值階段，說明熔滴脫落后移，電壓也發(fā)生較大的不穩(wěn)定。當干伸長增加3 mm時，實際焊接電壓升高，主從機電弧依然保持穩(wěn)定。當干伸長降低3 mm時，實際焊接電流、電壓波形均出現(xiàn)不穩(wěn)定，與電壓降低3 V時焊接情況較類似。

為保證最佳焊接效果，主從機相位應實時進行調(diào)整，調(diào)整原則是保證主機熔滴脫落后，從機再輸出脈沖。在實際焊接前，焊接電源應根據(jù)設定電壓的變化適當調(diào)整相位匹配時刻。當設定電壓高于一元化電壓時，脈沖能量變高，此時熔滴變大，與工件距離變短，脫落時刻前移，相位匹配時機可以不調(diào)整，當設定電壓低于一元化電壓時，脈沖能力變低，熔滴變小，與工件距離變長，脫落時刻后移，根據(jù)電壓的變化量，此時相位匹配時刻應適當后移。在焊接過程中，根據(jù)實際電流與設定電流的偏差來判斷干伸長的變化，然后再相應地調(diào)整相位匹配時機。當實際電流小于設定電流時，實際干伸長變長，由于焊絲的電阻熱，引起脈沖輸出能量的升高，熔滴變大，脫落時刻前移，此時相位匹配時刻無需調(diào)整，當實際電流大于設定電流時，實際使用的干伸長變短，脈沖輸出能量降低，熔滴脫落后移，此時應根據(jù)實際電流與設定電流的偏差量，實時調(diào)整相位匹配時機。

調(diào)整相位的匹配時刻分為兩大部分，一是焊接前根據(jù)主從機設定電壓的變化進行調(diào)整，二是焊接過程中根據(jù)干伸長的變化進行調(diào)整。

首先，確定標準狀態(tài)下的相位匹配時刻。根據(jù)主機設定電流、主機對應的峰值時間、從機設定電流等參數(shù)計算出相位匹配時刻，其中K1為主機設定電流的相位匹配系數(shù)。

第二步，根據(jù)主機、從機設定電壓，重新匹配相位時刻。如果設定電壓大于一元化電壓，此時弧長變長，峰值電壓變高，熔滴變大，脫落時機后移。如果設定電壓小于一元化電壓，此時弧長變短，峰值電壓變小，熔滴變小，脫落時機前移。由于熔滴脫落時機發(fā)生變化，因此相位時刻也需重新匹配。由于設定電壓發(fā)生變化，峰值電壓的標準值也要進行相應的調(diào)整。K2為設定電壓不等于一元化電壓時的相位調(diào)整系數(shù)。

式中 SetVLead、SetVTrail為主機、從機兩臺電源對應的設定電壓值。

式中 BaseVLead、BaseVTrail為主機、從機兩臺電源對應的一元化電壓值。

式中 BaseIPVLead_adj、BaseIPVTrail_adj分別為主機、從機由于設定電壓變化，調(diào)整后的峰值電壓標準值。

第三步，焊接過程中根據(jù)主機、從機的峰值實際電壓平均值與峰值標準電壓的偏差重新匹配相位時刻。焊接過程中，由于外界擾動（如干伸長變化、焊接電源參數(shù)變化等）造成弧長的變化，此時峰值實際電壓平均值會發(fā)生變化。當弧長變長，峰值電壓會變高、熔滴變大、脫落后移;當弧長變短，峰值電壓會變低、熔滴變小、脫落前移。此時為保證雙絲焊接兩電弧的穩(wěn)定，相位匹配時刻應隨峰值電壓的變化進行調(diào)整。

式中 AvgIPVLead、AvgIPVTrail分別為主機、從機峰值實際電壓的平均值。K3為峰值電壓的變化引起相位調(diào)整的系數(shù)。

第四步，焊接過程中根據(jù)主機、從機實際電流的平均值與設定電流的偏差重新匹配相位時刻。在實際焊接過程中，不可避免地會發(fā)生干伸長的變化。當干伸長變長時，平均電流變小，熔滴脫落前移，當干伸長變短時，平均電流變大，熔滴脫落后移;因此當實際平均電流發(fā)生變化時，相位匹配時刻應實時調(diào)整。

式中 AvgALead、AvgATrail分別為主機、從機的實際平均電流值。SetALead、SetATrail分別為主機、從機的設定電流值。K4為由于平均電流的變化引起相位調(diào)整的系數(shù)。

為驗證以上方案進行焊接試驗，試驗條件參考表2、表3，實際焊接波形如圖5所示。當外界發(fā)生擾動時，如設定電壓、峰值電壓、實際平均電流發(fā)生變化時，相位自動匹配時刻合適，響應速度快，兩電弧之間干擾小、電弧穩(wěn)定、焊接質(zhì)量良好。

4 結論

（1）Tandem雙絲焊接是一種高速高效的焊接方式，可以極大地提高生產(chǎn)效率。在實際焊接使用過程中，相位匹配的時機影響電弧的穩(wěn)定性，當主機熔滴脫落后，再進行相位匹配，從機輸出脈沖，電弧干擾最小，焊接效果最好。

（2）當主機設定電壓高于一元化電壓時，主機熔滴脫落前移，相位匹配時刻可以不調(diào)整，反之主機熔滴脫落后移，相位匹配時刻應根據(jù)設定電壓與一元化電壓的變化量，實時調(diào)整相位匹配時刻。

（3）當主機實際焊接電流低于設定電流時，干伸長變長，主機熔滴脫落前移，相位匹配時刻可以不調(diào)整，反之熔滴脫落后移，相位匹配時刻應根據(jù)實際焊接電流與設定電流的偏差量，實時調(diào)整相位匹配時刻。

參考文獻：

李帥貞，韓曉輝，邢艷雙，等.軌道車輛鋁合金中厚板單雙絲焊接工藝對比研究[J] .冷熱工藝，2020（4）：19-23.

黃飛.6005A 鋁合金的雙絲焊工藝性研究[J].無限互聯(lián)科技，2013（11）：116-117.

文元美，黃石生，吳開源，等.脈沖雙絲MAG焊接電流相位關系對成形的影響[J].焊接學報，2010（9）：17-20.

鄭佳，李亮魚，鐘蒲，等.雙絲三電弧焊中熔滴過渡及焊縫成形機理[J].焊接學報，2019（7）：31-36.

姚屛，薛家祥，馬前進，等.雙絲MIG焊對稱過渡波形控制及其工藝[J].焊接學報，2012（7）：21-24.