脉冲MIG焊工艺研究与优化控制

林 放，崔龙彬，魏仲华，陈小峰，高理文，薛家祥

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.江门职业技术学院 机电技术系，广东 江门 529000)

脉冲MIG焊工艺研究与优化控制

林 放1，2，崔龙彬1，魏仲华1，陈小峰1，高理文1，薛家祥1

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2.江门职业技术学院 机电技术系，广东 江门 529000)

研制了数字化脉冲MIG焊电源，研究其焊接工艺过程的优化控制。优化起弧方式，提高了起弧成功率，起弧点熔深效果良好；在电源输出端采用R-C滤波电路可以滤除电压中的高频干扰，达到降低弧压的目的；对熔滴过渡进行优化控制研究，对各种不同焊丝的一脉一滴临界电流曲线进行标定；采用变频控制方案对弧长进行有效控制，并引入先进先出(FIFO)的队列结构求弧压平均值；通过试验验证了采用上述优化控制方法，可以使得焊接过程稳定，焊缝成形良好。

脉冲MIG焊；优化控制；R-C滤波；变频弧长控制；队列结构

0 前言

脉冲MIG焊是一种焊接质量较高的熔化极焊接方法，它具有熔滴可控且均匀可靠、飞溅少、焊缝成形美观等优点。日本OTC公司的仝红军、上山智之对低频调制脉冲MIG焊的工艺方法进行了研究[1]。巴西的Mendes等人[2]对焊接机理和孔隙形成进行了研究；国内的北京工业大学在MIG焊的控制方法方面取得了有益的研究成果[3]。虽然研究人员不断对焊接设备和工艺方法进行改进，但是由于脉冲MIG焊控制过程的复杂性[4]，在脉冲MIG焊的工艺过程中仍有许多待解决的控制问题，如：充分稳定的起弧、稳定的焊接电流、熔滴过渡、弧压控制等。在此对上述控制问题进行了研究，优化了控制参数和方法，为研制具有稳定的高性能焊机提供了实验基础。

1 脉冲MIG焊工艺方案

1.1 起弧控制方案

起弧成功率和起弧质量是衡量焊机性能的重要指标，一般熔化极气保焊起弧过程为：引弧时焊丝与工件接触短路，接触点电阻相对较大，正常情况下短路电流很大，接触点流过大电流，使接触点熔化，焊丝在接触点附近温度最高点爆断起弧。对于铝合金焊丝，相同电流产生的电阻热比普通钢焊丝小得多，故所需的引弧电流和电流上升率比普通钢焊丝要大。为了解决这一问题，提高引弧性能，本研究采取了以下措施：

(1)可调的慢送丝速度。采用慢送丝可以增加短路接触时间，增大短路期间产生的热量，易于焊丝的爆断起弧。

(2)增加起弧热脉冲电流。由硬件判断电流是否达到起弧电流设定值，当电弧电流大于40 A时，控制程序判断电弧已建立，立即加一大电流脉冲。因为此时电弧刚建立，金属蒸汽少，电弧气氛热量不足，容易再度熄弧，特别是在电流小或紧接着的维弧期熄弧，增加电弧气氛的热量，使电弧稳定。

(3)加入过渡脉冲。为了防止电弧返烧，输出比稳态焊接脉冲幅值小的过渡脉冲，待电弧稳定后才输出稳态焊接脉冲，电流控制过程如图1所示。

图1 特殊起弧电流波形Fig.1 Current waveform of special arc striking

1.2 滤波降压方案

在脉冲MIG恒电流焊接过程中，伴随着负载和输出电流的剧烈变化会产生较大的噪声，影响系统的输出[5]。在焊机控制系统的恒电流PID控制作用下，这种干扰主要作用于电压，具体表现为：在输出电压上叠加相当幅值的高频干扰信号，使平均电压值升高，电压的升高必将影响输出电流稳定性，使得焊缝成形和焊接质量变差；而且在焊接过程中，很容易导致焊丝过度返烧，烧毁导电嘴。为了解决这一问题，设计了滤波降压方案，即在电源输出端采用RC低通滤波电路，吸收高频电压信号，以达到降低平均电压的效果。

1.3 熔滴过渡方案

对于脉冲MIG焊而言，熔滴过渡一般采用一脉一滴过渡方式，一脉一滴被确认为是脉冲MIG焊的最佳熔滴过渡方案。所以，获得一脉一滴临界电流曲线是设计脉冲电流参数的基础。

本研究采用峰值时间可调的脉冲作为试验手段，对于某一直径焊丝的某一个确定焊接电流，通过调节峰值时间，将出现跳弧的临界时间记录为一脉一滴临界点。

1.4 弧压控制方案

改变脉冲电流平均值的方法有两种：一种是固定频率，改变脉冲电流的宽度，即改变占空比的方法，这种方法不适于MIG焊；另一种是固定脉宽，改变脉冲频率的方法，即脉冲频率调整法。在脉冲MIG焊中，为了获得稳定的熔滴过度，必须对每一个脉冲电流的能量进行控制。这实际上就是控制脉冲电流的峰值大小和脉冲持续时间，即脉冲的高和宽。在保持脉冲的高和宽不变的条件下，基值电流大小作为维弧之用也不改变，故要改变平均电流，只有通过改变两个脉冲之间的间隔，也就是改变基值时间tb的方法来实现。

如图2所示，弧压调节过程为：弧压反馈系统检测到弧压Ua(代表弧长)相对于弧压最大给定值Umax和最小给定值Umin有某种变化后，便立即调整，使下一个脉冲电流早到或晚到，这就改变了脉冲频率，其宏观效果是改变焊接的平均电流，调节焊丝的熔化速度与等速送丝相匹配。所以电弧电压反馈系统的调节原理是：以弧压给定值Umax为参考，如果弧长变长(Ua↑)，调节系统就加大tb，降低脉冲频率，减小平均电流，使焊丝熔化速度变慢，其结果使弧长恢复到原来值；如果弧长变短，弧压小于Umin，则减小tb，加大平均电流，提高熔化速度，使弧长恢复到原来值。因为tb的变化必将引起P-GMAW频率的变化，因此这种控制弧长的方法称为变频弧长控制，这是P-GMAW反馈控制系统中的关键问题。

图2 变频弧长控制Fig.2 Diagram of variable frequency arc length control

2 工艺试验与分析

采用自行研制的数字化逆变焊接电源进行脉冲焊试验，利用动态小波分析仪采集并处理焊接实时电流和电压信号。

2.1 特殊电流起弧试验

根据特殊波形起弧控制的设计思想，进行了起弧试验。经小波分析后的实测脉冲起弧电流波形如图3所示。

图3 实测双脉冲焊接起弧波形Fig.3 Measured waveform of arc striking

通过试验对比起弧效果，所设计的起弧电流波形能够很好地完成起弧，起弧点熔深比正常起弧好。起弧对比如图4所示。

图4 普通起弧和特殊波形起弧效果对比Fig.4 Comparison of ordinary and optimal arc striking

2.2 滤波降压控制试验

通过小波分析仪的FFT功能，分析得到高频干扰信号主要集中在10～20 MHz，因此在焊机输出端加入电阻R＝0.15 Ω、电容C＝400 nF的低通滤波器进行滤波处理。以脉冲焊为例，滤波处理前后的电压波形对比如图5所示。

从图5可以看出，经过RC滤波后的电压信号干净稳定，没有毛刺。进一步对比电压概率密度，可以看到经过RC滤波后，电压概率密度被压缩在一个理想的区域内，如图6所示。

从工艺效果来看，滤波前弧压偏高，电压平均值为25.7 V，焊接过程中弧光剧烈灼眼，且伴有微微的爆鸣声。经过滤波降压后，电压稳定适中，电压平均值23.5V，较之前降低了2.2V。焊接过程中弧光温和，声音节奏稳定。

2.3 一脉一滴试验

通过改变脉冲峰值电流大小和峰值时间，可以获得一脉一滴临界电流曲线。图7、图8分别为碳钢焊丝、4043铝合金焊丝一脉一滴临界电流曲线。

试验证明，按照图7和图8所示的一脉一滴曲线，将脉冲参数取值在曲线上方有限区间内时，可以获得一脉一滴的熔滴过渡效果，得到优质的焊缝。

图5 R-C滤波处理前后的电压波形对比Fig.5 Comparison of voltage waveforms before and after R-C filtering

2.4 变频弧长控制方法

为了保证弧长的稳定性，控制频率不能太高和太低。控制频率过高会导致震荡输出，控制频率太低又起不到控制作用。因此，在弧长控制算法中引入了队列数据结构。

在队列这种数据结构中，最先插入的元素将被最先删除；反之最后插入的元素将被最后删除，因此队列又称为“先进先出”(FIFO-first in first out)的线性表。

首先创建一个长度为n的队列，在对弧压进行A／D采样的过程中，将每一次新的采样值插入到队尾，队首存储的采样值将被移除，同时从队尾数的第1个～第n-1个采样值分别前移至第2个～第n个位置，如图9所示。

然后再通过对n个采样值求平均值的方法，获得当前弧压的平均值。n值的确定与A／D采样的速度有关，在本研究的试验条件下，当n＝10时，弧压控制效果最佳。

图6 RC滤波前后概率密度分布比Fig.6 Comparison of probability densities before and after R-C filtering

图7 碳钢焊丝一脉一滴临界电流曲线Fig.7 Calibration of the One-Pulse-One-Droplet critical current curve for carbon steel welding wires

图8 4043铝合金焊丝一脉一滴临界电流曲线Fig.8 Calibration of the One-Pulse-One-Droplet critical current curve for 4043 aluminium alloy welding wires

相比一般的数字滤波算法，这种数据结构的优点是能够保持控制系统的动态稳定性，即任何一次控制的产生，都是基于当前采样值和紧邻的前面若干次采样值的平均结果。

图9 队列结构示意Fig.9 Diagram of data structure of queue

3 结论

(1)设计了特殊四步起弧，能够充分稳定地完成起弧，起弧点熔深比普通起弧好。

(2)分析了主电路输出端的滤波降压方案。在电源主电路输出端加入低通滤波电路，滤除电压高频干扰，明显降低平均电压值，有利于焊接过程的稳定。

(3)介绍了一脉一滴的优化控制，通过大量实验，获得了不同材料焊丝的一脉一滴过渡的临界电流曲线，为脉冲PIG焊的工艺设计奠定了基础。

(4)采用变频弧长对弧压进行控制，提出用队列采样求弧压平均值的方法，有效解决了弧压控制问题。

[1]仝红军，上山智之.低频调制型脉冲MIG焊接方法的工艺特点接设备原理与调试[J].焊接，2001(11)：23-25.

[2] Mendes da Silva C L.Evaluation of the thermal pulsation technique in aluminum welding[D].Brazil：Federal University of Uberlandia,2003(in Portuguese).

[3]王伟明.逆变式GMA单脉冲和双脉冲焊机数字控制系统研究[D].北京：北京工业大学，2004.

[4] Hirata Y.Pulse arc welding[J].Journal of Japan Welding Societ，2002，71(3)：115-130.

[5]吴开源.基于DSP的弧焊逆变电源数字化控制系统[J].电子设计应用，2002，1(11)：71-73.

Study on the optimization control of pulsed MIG welding

LIN Fang1，2，CUI Long-bin1，WEI Zhong-hua1，CHEN Xiao-feng1，GAO Li-wen1，XUE Jia-xiang1
(1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Department of Electromechanical Technology，Jiangmen Polytechnic，Jiangmen 529000，China)

Based on the designed digital pulsed MIG welding power source,the optimized control of welding process was studied.The optimization not only guaranteed an easy and successful arc starting，but also provided better arc starting penetration effect，comparing with normal arc starting method.Through experiments demonstration，the adopted R-C filter in the output terminal of the welding power source was proved to help eliminating the high-frequency interferences and decreasing the arc voltage.The optimum control of the droplet transfer was given，including the calibration of the One-Pulse-One-Droplet critical current curve for different wires.The proposed variable frequency arc length control and First Input First Output(FIFO)data structure were applied to calculate the average voltage.The result showed that stable welding and high-quality welding seams were achieved.

pulsed MIG welding；process optimization control；R-C filter；variable frequency arc length control；the data queue structure

TG444+.72

A

1001-2303(2011)10-0067-04

2011-02-24；

2011-07-17

广国家自然科学基金资助项目(50875088)；广东省科技攻关资助项目(2008B010400006)；番禺区攻关资助项目(2010-Z-22-1)；黄埔区攻关资助项目(1021)

林 放(1968—)，男，河南人，讲师，博士，主要从事数字化电源以及铝合金单脉冲和双脉冲焊接机理研究工作。