低飛濺高速MAG焊接技術

李 朋，張漢博，楊曉杰

(山東奧太電氣有限公司，山東 濟南 250101)

0 前言

在實際的工業生產中，MAG焊接在工程機械、機車制造、船舶制造等行業有著廣泛的應用，特別是碳鋼、不銹鋼的焊接。

MAG焊飛濺大，焊接速度慢，電弧易發生偏移出現焊縫咬邊等缺陷。另外，較高的熱輸入量對母材(特別是不銹鋼)的燒損也比較嚴重。隨著人力成本的不斷提高以及金屬加工行業競爭的日益加劇，MAG焊的這些缺點也日益凸顯。

為了消除MAG焊缺點的不利影響，焊接工作者做了大量的研究改進，但主要集中在焊接材料、保護氣體、送絲裝置等方面。例如使用表面活化焊材、更高比例的惰性保護氣體，增加了焊接成本;又如在焊槍噴嘴處增添焊絲加熱裝置，進行熱絲焊接，增加了設備的復雜程度和維護難度。奧太公司利用自己的研發技術優勢，從電源入手解決了該問題。

1 奧太強力電弧原理及特點［1－2］

小電流短路過渡時大部分飛濺都是在短路和燃弧交替切換的瞬間發生的。普通MAG燃弧瞬間電流值高，出現保險絲效應產生大量飛濺，燃弧初始電流不同，造成電弧長度差異和熱輸入不一致。

“強力電弧”通過對短路和燃弧的分別控制解決以上問題(見圖1)。短路發生后保持低電流狀態讓焊絲和熔池能夠充分短路，然后提升電流促進熔滴過渡。當熔滴發生縮頸時，控制電流急劇下降防止出現飛濺。電弧燃起后增大電流，快速形成熔滴，這樣不僅保證了弧長的一致，還提高了熔滴過渡頻率。

圖1 普通MAG(左)與“強力電弧”(右)短路過渡波形對比

大電流MAG焊接電弧之所以穩定性不好，是因為其弧長較長、電弧電壓較高(見圖2a)。將電弧電壓降低，弧長縮短，電弧穩定性和挺度有所提高。但這樣就會有短路發生，造成較大飛濺，同時影響電弧及熔池的穩定。

為了避免短路造成的不利影響，整個焊接系統的響應速度大幅提高。在短路發生時快速地控制住焊接電流的過高增長，短路完成后迅速恢復電弧長度，提高了電弧的穩定性和抗干擾能力。在保證電弧穩定的同時，通過控制電源輸出能量來增加電弧的等離子壓力，使電弧有較高的挺度和較好的指向性。

從高速攝像機所拍攝的電弧圖像(見圖2b)可以看出，短電弧在等離子壓力下形成熔池，熔滴尺寸均勻，且形成速度快。

圖2 電弧形態對比

與常規電弧相比，強力電弧焊接具有以下優點:能量集中，電弧方向性穩定，有利于窄間隙焊縫、長干伸長的焊接;電弧熱影響區小，熱輸入量小，工件變形小;焊接飛濺少，焊縫表面光滑，減少焊后清理工序;減小焊縫坡口角度，減少焊道數量，降低成本，縮短工時。

2 奧太強力電弧焊機NBC－500Ⅳ

強力電弧焊接對焊機有更高的要求，如果使用傳統的焊接電源，不可能讓焊接電流在短時間有較快變化。奧太在逆變電源中采用先進靈敏的新一代超高速雙CPU控制系統，能夠在短時間內采集到電壓、電流的改變，實現輸出的高速動態調節。這樣就可以快速調節焊接過程中電流的上升和下降，保證電弧的穩定性和抗干擾能力。

NBC－500Ⅳ型數字逆變焊機(見圖3)，主電路采用高頻率的IGBT逆變形式，配合奧太特有的軟開關技術，可實現快速響應。電弧短路發生時間僅為十幾微秒，傳統的單片機或DSC已經難以滿足要求，因此主控板采用處理速度高達600 MHz的DSP和實時性強的ARM組成雙CPU控制系統，實時監測電弧狀態并進行有效的精細控制。

圖3 奧太NBC－500Ⅳ焊機

控制系統可在幾個微秒內檢測到電弧狀態并進行精細波形輸出，控制短路電流和燃弧能量，在降低焊接飛濺的同時提高焊接速度。通過控制算法基本上實現了100%的縮頸檢測。相同條件下的焊接中，強力電弧將飛濺量降低至原來的10% ～20%，焊接速度提升到120%～150%。

在 φ1.2碳鋼焊絲，φ(Ar)80%+φ(CO2)20%保護氣體，流量15 L/min，焊接電流130 A的條件下，分別采用強力電弧和普通MAG焊在5 mm厚的低碳鋼板上堆焊。普通MAG焊接如圖4a所示，強力電弧焊接如圖4b所示。通過對比可知，強力電弧焊接過程中基本無飛濺。

圖4 焊接現場對比

較常規焊機而言，NBC－500Ⅳ具有以下特點:軟開關逆變技術，可靠性高，節能省電;雙CPU高速控制系統，熔滴過渡控制的更加精細，有效降低MAG焊接中產生的飛濺;電弧方向性穩定，能量集中，有效加深焊接熔深;焊接速度快，工件變形小，節省焊材和工時，提高焊接效率;寬架構送絲機及雙驅精密送絲裝置，送絲穩定，送絲機可靠性高;配有奧太群控系統，方便集中管理;豐富的對外通訊接口，實現與機器人、專機的無縫集成。

2.1 T型角焊縫熔深對比試驗

分別使用強力電弧和普通MAG焊接角焊縫試件，使用相同的焊接參數(電流320 A，電壓34 V，行走速度400 mm/min)，焊接試件切片如圖5所示。試板為兩塊20 mm×60 mm×200 mm材料16Mn碳鋼組成T型接頭。

由圖5可知，T型焊接接頭使用強力電弧焊接有效熔深可達5 mm，而一般的MAG有效熔深約2 mm。可見，相同條件下，對于T型焊接接頭使用強力電弧可增加有效熔深達到提升焊接質量效果，且焊縫成形好無咬邊現象，焊接飛濺小。

2.2 單邊坡口焊縫熔透對比試驗

圖5 焊接試件切片

分別使用強力電弧和普通MAG焊接坡口焊縫試板，使用相同的焊接參數(電流320 A，電壓34 V，行走速度400 mm/min)如圖6所示。試板為兩塊20 mm×60 mm×200 mm材料16Mn碳鋼，其中一塊單邊15°×45°焊接坡口，組成L型對接接頭。

圖6 L型對接接頭切片

由圖6的試件切片可知，單邊坡口對接焊接接頭使用強力電弧焊接有效熔深可穿透5 mm鈍邊，單面焊接雙面成形效果。而一般的MAG焊有效熔深為1 mm。可見，相同條件下，對于坡口使用強力電弧焊接可達到全熔透的焊接效果，焊接質量比普通MAG顯著提高。

3 結論

奧太NBC－500Ⅳ強力電弧焊機可以有效降低MAG焊接飛濺、增大熔深、提高焊接速度，非常適用于機械工程、鋼結構、造船業、高壓容器以及設備建造。

［1］張光先.逆變焊機控制原理［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］殷樹言.電焊機的數字化［M］.北京:北京工業大學出版社，2008.