双丝脉冲MIG焊的双脉冲焊接方法

吴开源1,2， 何祖伟1,2， 梁焯永1,2， 黄 玺1,2

(1. 华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640; 2. 华南理工大学 广东省特种焊接技术与装备工程技术研究中心，广州 510640)

摘 要：为优化双丝脉冲MIG焊的焊缝成形质量，提出双丝脉冲MIG焊的双脉冲焊接方法，构建基于DSP的双丝脉冲MIG焊的双脉冲数字化交替相位协同控制系统，对双丝脉冲MIG焊的单脉冲和双脉冲焊接进行平板堆焊试验. 结果表明，双丝脉冲MIG焊双脉冲焊接系统实现了稳定的双脉冲焊接过程，焊缝成形良好. 对单脉冲和双脉冲焊接所得焊缝的横截面宏观金相对比分析结果表明，双脉冲对焊接熔池有很强的搅拌作用，双脉冲焊接所得焊缝晶粒比单脉冲焊缝晶粒更小，说明双脉冲具有细化晶粒的效果，证明在双丝脉冲MIG焊中应用双脉冲有一定的优化作用.

关键词：双丝脉冲MIG焊；双脉冲；数字化控制；焊缝金相

0 序 言

作为实现高效化焊接的一种新型焊接工艺，双丝脉冲MIG焊由于其输出功率大，焊接效率高，逐渐成为国内外的研究热点，被广泛应用于造船、铁路、石油管道和压力容器的碳钢焊接中[1,2]. 但双丝脉冲MIG焊由于总的热输出大，引起焊缝及热影响区晶粒粗大，严重降低了材料的韧性，在一些结构应用中需要热处理，使其应用受到限制. 双脉冲焊是在高频的基础上进行低频调制，得到周期性变化的强弱脉冲群的焊接方法[3]. 双脉冲对单丝脉冲MIG焊熔池的搅拌作用能有效减少气孔缺陷的发生几率，降低热输出，细化焊缝区及热影响区晶粒，获得美观的鱼鳞纹焊缝. 虽然双脉冲焊多用于铝合金材料的焊接[4-6]，但试验证明双脉冲焊对于碳钢的焊接也有改善焊缝成形，优化焊缝组织的作用[7]. 目前对双丝脉冲MIG焊优化的研究主要停留在通过交替相位输出减小双电弧相互干扰从而提高电弧的稳定性方面[8, 9]，对脉冲电流波形进行控制的研究尚属空白. 目前的双丝脉冲MIG焊基本采用单脉冲焊接，为了优化传统双丝脉冲MIG焊，提高双丝脉冲MIG焊的焊缝成形质量，根据双脉冲优化焊缝成形质量的原理，提出了双丝脉冲MIG焊的双脉冲焊接方法.

1 双丝脉冲MIG焊焊接系统方案

1.1 系统总体方案

设计了基于TMS320LF2407A的双丝脉冲MIG焊数字化控制系统，焊接电源为TANDEM型双丝脉冲MIG焊装备. 焊接系统如图1所示.

1-主机保护气体;2-主机气压表;3-主机送丝机;4-主机正极电源线;5-主机送丝机控制线;6-主机电源;7-主机负极电源线;8-导电嘴;9-喷嘴;10-工件;11-试验平台;12-从机负极电源线;13-主从机通信线;14-从机送丝机;15-从机正极电源线;16-从机送丝机控制线;17-从机电源;18-从机气压表;19-从机保护气体

图1 双丝脉冲MIG焊系统示意图

Fig.1 Overall diagram of twin-wire pulsed MIG welding system

由图1可以看出，双丝脉冲MIG焊焊接系统主要是由两台以TMS320LF2407A芯片为控制核心的全桥逆变电源、两套送丝机构、焊接平台组成. 在该系统中，主电弧和从电弧分别由双丝脉冲MIG焊电源的主机和从机的输出端来供电. 主机和从机分别通过控制芯片，用软件方式分别实现对主电弧和从电弧脉冲电流输出控制，通过主机和从机之间的通信来实现交替脉冲相位的输出，实现数字化协同控制.

1.2 双丝脉冲MIG焊电源主电路

选用全桥逆变主电路作为双丝脉冲MIG焊电源的主电路拓扑. 主机和从机的主电路拓扑相同，如图2所示.

图2 全桥逆变主电路原理图

Fig.2 Schematic diagram of full-bridge inverter main circuit

主机和从机的主电路工作原理为：380 V三相交流电分别经过整流、滤波后变成540 V直流电；直流电给由IGBT模块组成的功率变换模块供电，由驱动电路提供的PWM控制波形驱动IGBT模块交替导通；然后经变压器功率变压之后，在变压器次级输出20 kHz的交变电；经过肖特基二极管全波整流成直流，最后再经电感滤波后供给电弧负载.

1.3 双丝脉冲MIG焊DSP数字化控制系统

双丝脉冲MIG焊主从机控制系统如图3所示. 主从机的控制系统各自以单独的DSP作为控制核心，主要由DSP最小系统及外围电路、IGBT栅极驱动电路、送丝电路、电流反馈电路、电压反馈电路、故障保护电路、参数给定和显示电路等组成，同时采用CAN现场总线构建双丝脉冲MIG焊主从机之间协同控制的通信网络. 通过CAN现场总线，主机可以向从机发送不同状态的切换信号；在焊接过程中，主机脉冲开始后经过半个脉冲周期向从机发出协同信号，令从机脉冲开始，从而实现主从机的相位交替.

2 双丝单脉冲及双脉冲波形

双丝脉冲MIG焊双电弧采用交替相位的脉冲双电弧，能有效地降低双电弧之间的干扰和双电弧对熔滴过渡的影响[10-12]. 文中双丝脉冲MIG焊主从机电源设定为主从模式，即电弧在前面的是主机，电弧在后面的是从机. 两路脉冲设置成交替相位模式，在这种模式下双电弧之间相互作用力只有普通焊接时的1/4甚至更低，对双电弧干扰和熔滴过渡的影响较小，能显著减少焊接飞溅.

图3 双丝脉冲MIG焊DSP数字化控制系统框图

Fig.3 Block diagram of DSP digital control system for twin-wire pulsed MIG welding

双丝脉冲MIG焊单脉冲和双脉冲波形示意图分别如图4和图5所示. 图4和图5的单脉冲和双脉冲的两路脉冲相位都相差180°呈交替状态，在同一时刻仅有一个电弧燃烧. 双电弧的相互作用力低，对熔滴过渡影响小，能有效减少飞溅.

图4 双丝脉冲MIG焊单脉冲波形

Fig.4 Single pulse waveform of twin-wire pulsed MIG welding

图5 双丝脉冲MIG焊双脉冲波形

Fig.5 Double pulse waveform of twin-wire pulsed MIG welding

3 试验结果

试验所采用的焊接工艺参数为：6 mm低碳钢板，堆焊，H08Mn2SiA焊丝，焊丝直径1.2 mm，80%Ar+20%CO2保护气体，气体流量20 L/min，主机送丝速度122 mm/s，从机送丝速度102 mm/s，焊接速度80 cm/min.

在相同的焊接工艺参数下，对单脉冲及双脉冲的交替输出相位进行焊接试验，单脉冲参数如表1所示，双脉冲参数如表2～表4所示.

表1 单脉冲参数

Table 1 Parameters of single pulse

参数峰值电流Ip/A基值电流Ib/A频率f/Hz占空比δ(%)实测电流I/A实测电压U/V主机50080564025035.2从机44060564021338.0

表2 双脉冲脉冲1参数

Table 2 Parameters of pulse #1 of double pulse

参数峰值电流Ip/A基值电流Ib/A频率f/Hz占空比δ(%)主机500805640从机440605640

表3 双脉冲脉冲2参数

Table 3 Parameters of pulse #2 of double pulse

参数峰值电流Ip/A基值电流Ib/A频率f/Hz占空比δ(%)主机4001205640从机3401005640

表4 双脉冲切换参数

Table 4 Parameters of double pulse switching

参数双脉冲切换频率f/Hz双脉冲切换占空比δ(%)实测电流I/A实测电压U/V主机45024233.5从机45020535.6

单脉冲焊接主从机电压电流波形、双脉冲焊接主从机电压电流波形如图6a,b所示.

图6 单脉冲和双脉冲电压电流波形

Fig.6 Voltage and current waveform of single and double pulse

波形是反映焊接过程稳定性和熔滴过渡过程的重要标志. 图6所示单脉冲和双脉冲焊接时波形比较整齐规则，说明焊接过程中无短路、断弧现象. 焊接过程稳定，声音柔和，焊接速度快、飞溅小. 由此可知，基于DSP的双丝脉冲MIG焊数字化协同控制系统很好地实现了双丝脉冲MIG焊过程中主从机交替相位模式的协同控制.

图7为单脉冲焊接和双脉冲焊接对应的焊缝实物形貌，可见焊缝成形良好. 图8为单脉冲焊缝和双脉冲焊缝局部放大图，可见双脉冲焊缝鱼鳞状比单脉冲焊焊缝鱼鳞状明显.

图7 单脉冲和双脉冲焊缝

Fig.7 Photograph of welding seam of single and double pulse

图8 单脉冲和双脉冲焊缝局部放大图

Fig.8 Magnified photograph of welding seam of single and double pulse

单脉冲和双脉冲焊缝横截面宏观金相腐蚀图分别如图9和图10所示，从图9和图10对比可以看出双脉冲对焊接熔池的搅拌作用明显，焊接接头熔敷金属与热影响区处的奥氏体形核晶粒轮廓的尺寸比单脉冲焊接接头对应位置的要小，说明双脉冲对熔池的搅拌引起熔池共振，打断一次奥氏体晶粒的连续长大，从而使得一次结晶所形成的奥氏体晶粒尺寸变小，细化了晶粒.

图9 单脉冲焊缝横截面宏观金相形貌

Fig.9 Cross section macroscopic metallographic view of single pulse welding seam

图10 双脉冲焊缝横截面宏观金相形貌

Fig.10 Cross section macroscopic metallographic view of double pulse welding seam

4 结 论

(1) 利用DSP构建了双丝脉冲MIG焊双脉冲交替相位协同控制系统，实现主从机双脉冲的数字化协同控制.

(2) 双脉冲能很好地实现稳定的双丝脉冲MIG焊双脉冲焊接过程，焊缝成形良好.

(3) 双脉冲对熔池的搅拌引起熔池共振，打断一次奥氏体晶粒的连续长大，从而使得一次结晶所形成的奥氏体晶粒尺寸变小，说明双脉冲具有细化晶粒的效果，从而为双丝脉冲MIG焊焊接工艺参数的优化提供了参考依据.

参考文献：

[1] 黄石生． 焊接科学基础： 焊接方法与过程控制基础[M]． 北京： 机械工业出版社， ．

[2] Scotti A, Morais C O, Vilarinho L O. The effect of out-of-phase pulsing on metal transfer in twin-wire GMA welding at high current level[J]. Welding Journal, , 85(10): 225-230.

[3] 仝红军， 上山智之. 低频调制型脉冲MIG焊接方法的工艺特点[J]. 焊接， 2001 (11)： 33-35， 40. Tong Hongjun, Ueyama T. Features of low frequency modulated type pulsed MIG welding process[J]. Welding & Joining, 2001(11): 33-35, 40.

[4] Liu A H, Tang X H, Lu F G. Weld pool profile characteristics of Al alloy in double-pulsed GMAW[J]. International Journal of Advanced Manufacture Technology, , 68(9-12): -.

[5] Silva C L M, Scotti A. The influence of double pulse on porosity formation in aluminum GMAW[J]. Journal of Material Processing Technology, , 171(3): 366-372.

[6] 曹淑芬， 陈铁平， 易 杰， 等. 铝合金双脉冲MIG焊过程的温度及应力变形模拟[J]． 中国有色金属学报， ， 24(7)： 1685-1692． Cao Shufen, Chen Tiepin, Yi Jie, et al. Simulation of temperature, stress and deformation during double pulsed MIG welding of aluminum alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, , 24(7): 1685-1692.

[7] 王会霞， 王 军， 胡云岩， 等． 双脉冲 MAG横焊工艺的研究[J]． 铸造技术， ， 30(1)： 95-97． Wang Huixia， Wang Jun， Hu Yunyan， et al． Study on the double pulse horizontal position MAG welding process[J]． Foundry Technology, , 30(1): 95-97.

[8] Moinuddin S Q. Sharma A. Arc stability and its impact on weld properties and microstructure in anti-phase synchronized synergic-pulsed twin-wire gas metal arc welding[J]. Materials & Design, , 67(1): 293-302.

[9] 王 飞， 华学明， 马晓丽， 等． 双丝GMAW焊接的电弧干扰和中断分析[J]． 焊接学报， ， 32(7)： 109-112． Wang Fei, Hua Xueming, Ma Xiaoli, et al. Analysis of arc interference and interruption in double-wire GMAW welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, , 32(7): 109-112.

[10] Schnick M, Wilhelm G, Lohse M, et al. Three-dimensional modeling of arc behavior and gas shield quality in tandem gas-metal arc welding using anti-phase pulse synchronization[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, , 44(18): 185-205.

[11] Ueyama T, Ohnawa T, Tanaka M, et al. Occurrence of arc interaction in tandem pulsed gas metal arc welding[J]. Science and Technology of Welding and Joining, , 12(6): 523-529.

[12] Reis R P, Souza D,Filho D F. Arc interruptions in Tandem pulsed gas metal arc welding[J]. Journal of Manufacturing Science and Engineering, , 137(2)： 602-611.

收稿日期：-03-09

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51205136)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(0172120003)；广东省中国科学院全面战略合作专项资金竞争性分配资助项目(B091500082)；中央高校基本科研业务费专项资金重点资助项目(ZZ084)

中图分类号：TG 434.1

文献标识码：A

文章编号：0253-360X()05-0053-05

作者简介：吴开源，男，1978年出生，博士，副研究员，硕士研究生导师. 主要研究方向为弧焊逆变电源及其数字化智能控制. 发表论文50余篇. Email: wuky@

如果觉得《双丝脉冲MIG焊的双脉冲焊接方法》对你有帮助，请点赞、收藏，并留下你的观点哦！