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),計算機(jī)科學(xué)工程學(xué)院,廣州,510006)
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焊接電源的動特性和控制精度提出了很高的要求.
在陸地焊接時,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,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.
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IGBT 開關(guān)管Q1和Q2構(gòu)成,為了防止并聯(lián)IGBT開通時串聯(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
由于輸出快頻脈沖電流時產(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任務(wù),及時對復(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)時調(diào)整;TIM 對整個焊接流程、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)整個焊接電源系統(tǒng)各個部分的信息聯(lián)通,便于對焊接過程進(jìn)行實(shí)時控制.
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
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)一個脈沖過渡一個熔滴;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.
針對LDU-FFPMIG焊接電源超高動特性的需求,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,整體采用定時器TIM 對各個電流的切換進(jìn)行控制,波形調(diào)控開始后,初始化各個參數(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.
為了測試所研制LDU-FFPMIG焊接電源的動特性和控制精度,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
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,第一個波形為快頻脈沖電流波形,去掉單脈沖后就變成了第二個恒流快頻脈沖波形,時基放大后就成為第三個波形,在快頻脈沖電流頻率為20 kHz,幅值為200 A時,電流上升時間為9.0 μs,電流下降時間為11.8 μs,仍能保證超高的動態(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
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 快頻脈沖焊接試驗對比參數(shù)Table 1 Comparison parameters of fast-frequency pulsed welding test
圖9 為304 不銹鋼堆焊試驗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)
(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,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.