脈沖電流差值對雙絲CO2焊影響

李鈺楨，彭燦燦，朱曉軍，岳海瑞，楊錦輝，薛家祥

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640;2.中國能源建設集團廣東火電工程總公司，廣東廣州510735)

0 前言

雙絲焊作為一種高效優質的焊接方法，它突破了單絲焊的速度瓶頸，克服了單絲高速焊的咬邊、駝峰焊道，焊縫成形差等缺陷;又充分利用脈沖焊臨界電流低，易實現射流過渡、易實現焊接過程精細控制的特點［1－2］;同時還發揮了雙絲焊兩個電弧間相互作用、互為補充的優點，成為國際焊接領域研究的熱點［3－5］。

雙絲焊接過程中前絲電弧的焊接電流要大一些，以提供足夠的能量給母材。后絲電弧受到前絲電弧熱作用的影響，電流可以小一些，主要起填充熔池的作用［6－8］。

根據國內外雙絲焊接工藝理論研究和實際應用情況，利用自研制的雙絲數字化焊接電源系統搭建實驗平臺，通過大量工藝實驗，利用四通道焊接電弧動態小波分析儀，采樣電壓、電流，對電源進行全面測試。根據實驗得到的電壓、電流波形圖和焊縫照片，對比分析不同電流差值下的焊接效果，進一步對雙絲CO2焊的工藝參數進行研究，找出雙絲電流差值對焊接效果的影響規律，得到雙絲CO2電流差值的最優取值范圍。

1 實驗平臺

本研究構建的雙絲CO2焊實驗平臺由以下部分組成:

(1)自研制的雙絲焊接電源;(2)電阻箱:調試主電路和測試電源外特性用;(3)工控機;(4)保護氣體CO2;(5)雙絲送絲機構;(6)TDS2012B示波器:采集焊接電壓、電流波形;(7)自研制焊接電弧動態小波分析儀:采集和記錄焊接過程中焊接電壓和電流波形。

測試設備包括:TDS2012B示波器、四通道小波分析儀、工控機。

使用的四通道焊接電弧動態小波分析儀具有小波濾波的功能，能濾除采集過程中的干擾，提取所需波形信息。小波分析儀的四通道采樣頻率高達20 kHz，足以滿足焊接電流電壓的波形采集要求。

圖1 恒電壓靜態特性曲線

2.1 焊接電源靜態特性測試

在弧焊逆變電源內部參數一定的情況下，改變電源負載時，電源輸出的電壓穩定值Uo與輸出的電流穩定值Io之間的關系曲線Uo=f(Io)，稱為弧焊逆變電源的靜態特性。實驗所測恒電壓17 V，24 V，30 V，35 V，40 V，50 V外特性曲線如圖1所示。由圖可知，本研究的雙絲逆變電源空載電壓為68 V，完全滿足MAG焊的起弧需要，電源具有良好的恒電壓外特性，符合CO2焊逆變電源的外特性要求。

2.2 焊接電源電氣性能測試

對在空載下電源的階躍響應進行了測試，如圖2所示。在帶負載情況下，電源的響應迅速，電壓在2 ms內上升至穩定值，沒有過沖，迅速達到穩定狀態，具有良好的動特性。

3 雙絲CO2焊實驗結果分析

進行實際焊接測試，檢驗所設計的數字化焊接電源的性能。本課題設計的數字化雙絲焊接電源可以實現雙絲CO2焊的焊接，此處采用雙絲CO2焊對所設計的焊接電源進行實際焊接測試。

圖2 電源階躍響應動態特性曲線

3.1 雙絲CO2焊接

參數組 1:焊接速度 0.5 m/min，φ1.2 的鋼焊絲，CO2氣體，氣流量18 L/min，焊絲干伸長8 mm，堆焊，前絲平均電流80 A，后絲平均電流80 A。

使用參數組1進行焊接，焊接過程穩定，焊接聲音較柔和，飛濺較少，偶爾有輕微斷弧。焊縫成形均勻、美觀，有明顯的魚鱗紋，圖3為參數組1的焊接電流電壓波形及焊縫圖。實驗表明，所設計的數字化雙絲焊接電源能夠很好地實現雙絲CO2焊接。

3.2 電流差值對焊接效果的影響分析

改變雙絲中前絲電流與后絲電流之間的差值，研究雙絲電流差值對焊接效果的影響規律。其中前絲電流大，后絲電流小。實驗基本條件為:φ 1.0的鋼焊絲，CO2氣體，氣流量18 L/min，焊絲干伸長8 mm，堆焊。

參數組2:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流105 A，后絲的平均電流87 A。電流相差18 A。

參數組3:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流121 A，后絲的平均電流93 A。電流相差28 A。

參數組4:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流117 A，后絲的平均電流82 A。電流相差35 A。

參數組5:焊接速度0.38 m/min，前絲的平均電流136 A，后絲的平均電流89 A。電流相差47 A。

參數組2～參數組5的電壓、電流波形及焊縫照片分別如圖4～7所示。

焊接過程中，參數組2焊接過程中偶有斷弧，有少量飛濺，焊接聲音較小;參數組3焊接時聲音較柔和，斷弧極少，飛濺極少;參數組4焊接過程中聲音很柔和，無斷弧，飛濺極少，焊縫均勻，魚鱗紋明顯;參數組5焊接時爆斷較多，飛濺較大，時常斷弧。

圖3 雙絲CO2焊電壓、電流波形及焊縫照片

圖4 參數組2的電壓、電流波形及焊縫(焊接速度為0.38 m/min，電流差值為18 A)

圖5 參數組3的電壓、電流波形及焊縫(焊接速度為0.38 m/min，電流差值為28 A)

圖6 參數組4的電壓、電流波形及焊縫(焊接速度為0.38 m/min，電流差值為35 A)

參數組2中，雙絲的平均電流差距為18 A，參數組3中雙絲的平均電流差距為28 A，參數組4中雙絲的平均電流差距為35 A，參數組5中雙絲的平均電流差距為47 A。從焊縫質量來看，參數組2焊縫質量一般，參數組3的焊縫成形較好，參數組4的焊縫成形最好，而參數組5的焊縫成形質量較差，呈現駝峰焊道。參數組2中雙絲電流差距較小，焊縫不太規則，呈現駝峰焊道;參數組3、參數組4中雙絲的平均電流差距在28 A至35 A之間，焊縫成形質量較好;參數組5中雙絲電流差距較大，焊縫不連續。

4 結論

由實驗結果可知，雙絲的平均電流差值在28～35 A焊接穩定，焊縫效果好。

雙絲電流差值過小，焊縫不規則，呈現駝峰焊道;雙絲電流差值過大則焊縫不連續。

這是由于前絲電流大，提供足夠的熱量給母材，后絲插入由前絲電弧形成的熔池中，前絲多余的熱量來融化后絲，使母材的熱影響區變小，減少變形，改善焊縫成形。電流差值過小，熱影響區沒有變小，不能減少變形，影響焊縫成形;電流差值過大，后絲融化效果不好，導致焊縫不連續。

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