蘇立虎

摘要：研究分析了Tandem雙絲脈沖氣保焊主從機(jī)不同相位匹配對(duì)電弧的影響。主從機(jī)雙絲協(xié)調(diào)焊接時(shí)，相位匹配有四大階段，模式1是主機(jī)與從機(jī)同時(shí)輸出脈沖，此時(shí)主從機(jī)脈沖為同相位匹配;模式2是主機(jī)到達(dá)脈沖峰值階段，從機(jī)開始輸出脈沖;模式3是主機(jī)在脈沖下降階段，從機(jī)輸出脈沖;模式4是主機(jī)在基值階段，從機(jī)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(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)采用模式1時(shí)，由于主從機(jī)兩電弧同時(shí)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(shí)，主從機(jī)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(huì)有較大的飛濺;模式3時(shí)，主機(jī)脈沖熔滴開始脫落，如果在主機(jī)脈沖下降沿的初期，從機(jī)剛開始輸出脈沖，會(huì)對(duì)主機(jī)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(jī)下降沿接近基值階段從機(jī)再輸出脈沖，飛濺小，電弧穩(wěn)定;模式4時(shí)，主機(jī)進(jìn)入基值階段處于維弧時(shí)期，電流較小，此時(shí)從機(jī)輸出脈沖，主機(jī)電弧可能被拉斷，如果主機(jī)電弧正常，此時(shí)焊接效果良好，飛濺小，成形美觀。綜合4種模式，當(dāng)主機(jī)下降階段，熔滴脫落完成后，從機(jī)輸出脈沖，此時(shí)相位匹配最合適，焊接效果最好。當(dāng)主機(jī)設(shè)定電壓或干伸長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，相位匹配時(shí)刻自動(dòng)調(diào)整。

關(guān)鍵詞：雙絲;相位;主機(jī);從機(jī);峰值;基值

中圖分類號(hào)：TG434.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(tái)送絲機(jī)分別將焊絲送入到一個(gè)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(dòng)焊在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用越來越廣泛[2]。文中針對(duì)主從機(jī)相位匹配的時(shí)刻進(jìn)行試驗(yàn)研究，當(dāng)主從機(jī)設(shè)定電壓或干伸長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，相位匹配時(shí)刻應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，為此提出了一種自動(dòng)匹配相位時(shí)刻的方法。

1 雙絲焊接介紹

雙絲焊接技術(shù)是通過采用一臺(tái)電源或兩臺(tái)電源實(shí)現(xiàn)同時(shí)熔化兩根焊絲的焊接方法。根據(jù)使用電源臺(tái)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(jié)構(gòu)的雙絲需采用同相位模式，兩電弧之間的干擾較大，市場(chǎng)應(yīng)用較少。Tandem結(jié)構(gòu)的雙絲兩個(gè)電極彼此獨(dú)立，兩臺(tái)電源的焊接電流、電壓、送絲速度等參數(shù)可分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，但兩焊接電源之間需要相位協(xié)調(diào)、通信，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但由于焊接效果好，市場(chǎng)應(yīng)用范圍很廣，國(guó)內(nèi)外研究該技術(shù)也較多。單電源雙絲技術(shù)目前市場(chǎng)應(yīng)用較少，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)要求較高，需要大功率的電源[3]。

2 試驗(yàn)設(shè)備、內(nèi)容及分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)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(tái)全數(shù)字逆變焊機(jī)、1臺(tái)通信接口裝置、1套鏡像送絲機(jī)、1臺(tái)機(jī)器人、1把雙絲焊槍及雙絲焊接專用軟件。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

Tandem雙絲焊接是兩根焊絲前后排列，根據(jù)實(shí)際焊接方向進(jìn)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(shè)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(shí)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(jī)和從機(jī)，為研究主從機(jī)不同相位匹配對(duì)電弧的影響進(jìn)行焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)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(yàn)參數(shù)如表1所示。

相位匹配時(shí)刻按照脈沖階段分為4種，如表1所示，主從機(jī)相位匹配的4種模式如圖3所示。相位匹配的時(shí)刻實(shí)現(xiàn)方式為主機(jī)在特定時(shí)刻發(fā)送相位協(xié)調(diào)信號(hào)，從機(jī)接收到相位協(xié)調(diào)信號(hào)后，開始重新輸出脈沖，為接收到相位協(xié)調(diào)信號(hào)，維持基值階段，當(dāng)基值階段維持時(shí)間超過設(shè)定值后，本次脈沖結(jié)束，重新輸出新的脈沖信號(hào)。根據(jù)主機(jī)脈沖的上升、峰值、下降、基值4個(gè)階段，分別發(fā)送相位信號(hào)，觀察電弧，判斷匹配時(shí)機(jī)是否適合。為驗(yàn)證相位匹配時(shí)刻對(duì)焊接的影響，其他參數(shù)如主從機(jī)設(shè)定電流、電壓、焊接速度等保持不變的前提下進(jìn)行焊接測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)分析

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

在實(shí)際焊接時(shí)，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(jī)電流元ILeaddlLead在其周圍空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為

由安培定律可知，置于主機(jī)電流元ILeaddlLead的磁場(chǎng)的從機(jī)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(shí)主機(jī)電流元對(duì)從機(jī)電流元的作用力為

同理可得從機(jī)電流元對(duì)主機(jī)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(jī)實(shí)際電流越大，所受到的作用力就越大。

針對(duì)主從機(jī)相位匹配的4種模式進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并記錄相關(guān)波形，如圖4所示，從上至下依次為：CH1主機(jī)電壓波形、CH7從機(jī)電壓波形、CH3相位信號(hào)、CH8從機(jī)電流波形、CH2主機(jī)電流波形。

當(dāng)主從機(jī)相位匹配使用模式1時(shí)，主從機(jī)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(shí)機(jī)不均勻，有時(shí)出現(xiàn)電壓較低，較大的短路，進(jìn)而產(chǎn)生大顆粒飛濺，有時(shí)電壓合適，飛濺不大，但在焊接過程中兩電弧弧長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)時(shí)短，焊接不穩(wěn)定（見圖4a）。當(dāng)使用模式2時(shí)，主從機(jī)電流脈沖峰值階段部分重合，電流波形比較均勻一致，此時(shí)電壓尤其是到基值電壓階段，非常不穩(wěn)定，此時(shí)由于主從機(jī)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(duì)基值的作用力較大，引起基值電壓的上升，實(shí)際觀測(cè)電弧弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，電弧抗干擾能力較差（見圖4b）。使用模式3時(shí)，主從機(jī)峰值階段不重合，距離較近，主機(jī)處于熔滴將要脫落階段，從機(jī)剛輸出脈沖，由于從機(jī)電流的存在，對(duì)主機(jī)電流產(chǎn)生吸引力，造成主機(jī)熔滴脫落發(fā)生偏移，引起電壓的不穩(wěn)定，弧長(zhǎng)不穩(wěn)定，主機(jī)弧長(zhǎng)的變化又影響從機(jī)熔滴的大小，此時(shí)可能會(huì)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(jī)熔滴脫落后進(jìn)行相位匹配，焊接效果較好。使用模式4時(shí)，主機(jī)熔滴已經(jīng)脫落完成，處于基值維弧階段，此時(shí)從機(jī)輸出脈沖，兩電弧之間雖有作用力，但影響不大，實(shí)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(yàn)可知，當(dāng)主機(jī)發(fā)生熔滴脫落后再進(jìn)行相位匹配，此時(shí)主從機(jī)電弧之間的作用力最小，干擾也最小，焊接效果好。在實(shí)際焊接過程中，難免會(huì)發(fā)生設(shè)定電壓、干伸長(zhǎng)等外界擾動(dòng)。當(dāng)主機(jī)設(shè)定電壓、干伸長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。主機(jī)設(shè)定電壓變化焊接試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，主機(jī)干伸長(zhǎng)變化焊接試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，為驗(yàn)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(jī)雙絲焊接標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)即設(shè)定電壓為一元化電壓，實(shí)際焊接電流等于設(shè)定電流，調(diào)整相位匹配時(shí)機(jī)處于脈沖基值階段，此時(shí)主機(jī)熔滴已經(jīng)脫落，電弧穩(wěn)定。當(dāng)主機(jī)設(shè)定電壓增加3 V時(shí)，不影響主從機(jī)兩電弧的穩(wěn)定性，只是由于主機(jī)設(shè)定電壓變大，實(shí)際焊接電壓升高。當(dāng)主機(jī)設(shè)定電壓降低3 V時(shí)，發(fā)生較大短路，從短路發(fā)生時(shí)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(dāng)干伸長(zhǎng)增加3 mm時(shí)，實(shí)際焊接電壓升高，主從機(jī)電弧依然保持穩(wěn)定。當(dāng)干伸長(zhǎng)降低3 mm時(shí)，實(shí)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(shí)焊接情況較類似。

為保證最佳焊接效果，主從機(jī)相位應(yīng)實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整原則是保證主機(jī)熔滴脫落后，從機(jī)再輸出脈沖。在實(shí)際焊接前，焊接電源應(yīng)根據(jù)設(shè)定電壓的變化適當(dāng)調(diào)整相位匹配時(shí)刻。當(dāng)設(shè)定電壓高于一元化電壓時(shí)，脈沖能量變高，此時(shí)熔滴變大，與工件距離變短，脫落時(shí)刻前移，相位匹配時(shí)機(jī)可以不調(diào)整，當(dāng)設(shè)定電壓低于一元化電壓時(shí)，脈沖能力變低，熔滴變小，與工件距離變長(zhǎng)，脫落時(shí)刻后移，根據(jù)電壓的變化量，此時(shí)相位匹配時(shí)刻應(yīng)適當(dāng)后移。在焊接過程中，根據(jù)實(shí)際電流與設(shè)定電流的偏差來判斷干伸長(zhǎng)的變化，然后再相應(yīng)地調(diào)整相位匹配時(shí)機(jī)。當(dāng)實(shí)際電流小于設(shè)定電流時(shí)，實(shí)際干伸長(zhǎng)變長(zhǎng)，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(shí)刻前移，此時(shí)相位匹配時(shí)刻無需調(diào)整，當(dāng)實(shí)際電流大于設(shè)定電流時(shí)，實(shí)際使用的干伸長(zhǎng)變短，脈沖輸出能量降低，熔滴脫落后移，此時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際電流與設(shè)定電流的偏差量，實(shí)時(shí)調(diào)整相位匹配時(shí)機(jī)。

調(diào)整相位的匹配時(shí)刻分為兩大部分，一是焊接前根據(jù)主從機(jī)設(shè)定電壓的變化進(jìn)行調(diào)整，二是焊接過程中根據(jù)干伸長(zhǎng)的變化進(jìn)行調(diào)整。

首先，確定標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相位匹配時(shí)刻。根據(jù)主機(jī)設(shè)定電流、主機(jī)對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間、從機(jī)設(shè)定電流等參數(shù)計(jì)算出相位匹配時(shí)刻，其中K1為主機(jī)設(shè)定電流的相位匹配系數(shù)。

第二步，根據(jù)主機(jī)、從機(jī)設(shè)定電壓，重新匹配相位時(shí)刻。如果設(shè)定電壓大于一元化電壓，此時(shí)弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，峰值電壓變高，熔滴變大，脫落時(shí)機(jī)后移。如果設(shè)定電壓小于一元化電壓，此時(shí)弧長(zhǎng)變短，峰值電壓變小，熔滴變小，脫落時(shí)機(jī)前移。由于熔滴脫落時(shí)機(jī)發(fā)生變化，因此相位時(shí)刻也需重新匹配。由于設(shè)定電壓發(fā)生變化，峰值電壓的標(biāo)準(zhǔn)值也要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。K2為設(shè)定電壓不等于一元化電壓時(shí)的相位調(diào)整系數(shù)。

式中 SetVLead、SetVTrail為主機(jī)、從機(jī)兩臺(tái)電源對(duì)應(yīng)的設(shè)定電壓值。

式中 BaseVLead、BaseVTrail為主機(jī)、從機(jī)兩臺(tái)電源對(duì)應(yīng)的一元化電壓值。

式中 BaseIPVLead_adj、BaseIPVTrail_adj分別為主機(jī)、從機(jī)由于設(shè)定電壓變化，調(diào)整后的峰值電壓標(biāo)準(zhǔn)值。

第三步，焊接過程中根據(jù)主機(jī)、從機(jī)的峰值實(shí)際電壓平均值與峰值標(biāo)準(zhǔn)電壓的偏差重新匹配相位時(shí)刻。焊接過程中，由于外界擾動(dòng)（如干伸長(zhǎng)變化、焊接電源參數(shù)變化等）造成弧長(zhǎng)的變化，此時(shí)峰值實(shí)際電壓平均值會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，峰值電壓會(huì)變高、熔滴變大、脫落后移;當(dāng)弧長(zhǎng)變短，峰值電壓會(huì)變低、熔滴變小、脫落前移。此時(shí)為保證雙絲焊接兩電弧的穩(wěn)定，相位匹配時(shí)刻應(yīng)隨峰值電壓的變化進(jìn)行調(diào)整。

式中 AvgIPVLead、AvgIPVTrail分別為主機(jī)、從機(jī)峰值實(shí)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(jī)、從機(jī)實(shí)際電流的平均值與設(shè)定電流的偏差重新匹配相位時(shí)刻。在實(shí)際焊接過程中，不可避免地會(huì)發(fā)生干伸長(zhǎng)的變化。當(dāng)干伸長(zhǎng)變長(zhǎng)時(shí)，平均電流變小，熔滴脫落前移，當(dāng)干伸長(zhǎng)變短時(shí)，平均電流變大，熔滴脫落后移;因此當(dāng)實(shí)際平均電流發(fā)生變化時(shí)，相位匹配時(shí)刻應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整。

式中 AvgALead、AvgATrail分別為主機(jī)、從機(jī)的實(shí)際平均電流值。SetALead、SetATrail分別為主機(jī)、從機(jī)的設(shè)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(yàn)證以上方案進(jìn)行焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)條件參考表2、表3，實(shí)際焊接波形如圖5所示。當(dāng)外界發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，如設(shè)定電壓、峰值電壓、實(shí)際平均電流發(fā)生變化時(shí)，相位自動(dòng)匹配時(shí)刻合適，響應(yīng)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(jié)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(shí)際焊接使用過程中，相位匹配的時(shí)機(jī)影響電弧的穩(wěn)定性，當(dāng)主機(jī)熔滴脫落后，再進(jìn)行相位匹配，從機(jī)輸出脈沖，電弧干擾最小，焊接效果最好。

（2）當(dāng)主機(jī)設(shè)定電壓高于一元化電壓時(shí)，主機(jī)熔滴脫落前移，相位匹配時(shí)刻可以不調(diào)整，反之主機(jī)熔滴脫落后移，相位匹配時(shí)刻應(yīng)根據(jù)設(shè)定電壓與一元化電壓的變化量，實(shí)時(shí)調(diào)整相位匹配時(shí)刻。

（3）當(dāng)主機(jī)實(shí)際焊接電流低于設(shè)定電流時(shí)，干伸長(zhǎng)變長(zhǎng)，主機(jī)熔滴脫落前移，相位匹配時(shí)刻可以不調(diào)整，反之熔滴脫落后移，相位匹配時(shí)刻應(yīng)根據(jù)實(shí)際焊接電流與設(shè)定電流的偏差量，實(shí)時(shí)調(diào)整相位匹配時(shí)刻。

參考文獻(xiàn)：

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(duì)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(guān)系對(duì)成形的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，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(jī)理[J].焊接學(xué)報(bào)，2019（7）：31-36.

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