基于快速原型開發平臺的鋁合金脈沖MIG焊弧長控制

（蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料重點實驗室，甘肅蘭州730050）

0 前言

近年來，隨著節能環保觀念的普及，交通運輸工具向著輕量化方向發展，鋁合金因具有比強度高、耐腐蝕、回收利用性好等優點，廣泛應用于高速列車和節能環保型汽車等的車體結構中[1-2]。鋁合金性質活潑，導熱導電性好，線膨脹系數大，焊接過程中易產生氣孔、咬邊、裂紋等缺陷，導致焊縫成形差，接頭的力學性能下降。

保證焊接質量是鋁合金車體焊接的關鍵。脈沖MIG焊因熔滴過渡軸向性好、無飛濺、焊縫成形美觀、焊接變形小以及易于實現自動化等優點，廣泛應用于鋁合金焊接[3]。弧長在脈沖MIG焊接過程中是實時變化的，因此如何實時控制脈沖MIG焊接過程中的弧長成為研究熱點。

文獻[4]建立了焊接電流與焊絲熔化速度的數學模型，通過調節焊接電流保證焊絲的熔化速度與送進速度相同來穩定弧長。文獻[5]提出了脈沖熔化極氣體保護焊接電源頻率-特性復合弧長自適應控制法，并通過實時采集電壓、電流信號以及實時調節脈沖基值時間和給定電壓來穩定弧長。文獻[6]采用比例切換函數的滑模控制器對弧長進行了控制試驗研究，實現了穩定焊接，焊縫成形良好。文獻[7]通過調節峰值時間和基值時間來克服干伸長對熔化速度和熔滴體積的影響，在保證一脈一滴過渡的同時還保證每個熔滴的體積基本不變，從而使熔滴過渡更加均勻、穩定。

上述幾種弧長控制方案的靈敏度和抗干擾性都較差，為此本研究設計了基于快速原型脈沖MIG焊電源開發平臺，采用xPC的實時目標環境，實現焊接電流、電壓及視頻圖像的同步采集、實時顯示及存儲功能，分析處理焊接信號，通過相應的控制算法，實時輸出控制信號，完成對焊接過程的控制。

1 試驗系統

1.1 快速原型開發平臺設計

試驗系統如圖1所示，建立的鋁合金脈沖MIG焊硬件平臺主要包括焊接系統、圖像傳感系統、電信號采集及控制信號輸出系統。焊接系統采用德國DALEX VIRO MIG-400L數字脈沖焊機，圖像采集系統包括松下CP-230型CCD攝像機、NI PCI-1405視頻采集卡，電信號采集及控制信號輸出系統主要有支持xPC的研華PCL-812PG數據采集卡、NI PCI-6221數據采集卡、研華PCL-728帶隔離的D/A數據輸出卡，輔有CSM400FA系列的閉環電流傳感器、研華ADAM-3014標準電壓隔離模塊等，軟件平臺采用支持xPC的實時目標環境[8]。

圖1 脈沖MIG焊快速原型控制系統示意

1.2 弧長控制軟件系統

在快速原型控制系統的基礎上，通過MATLAB/Simulink分別設計了通過調節脈沖占空比和脈沖頻率控制弧長的軟件系統，如圖2和圖3所示。控制系統通過弧壓反饋信號的大小來相應調節脈沖占空比和脈沖頻率，調節控制弧長。為了實現穩定的弧長調節控制，采用增量式PID控制器。

2 弧長控制試驗

在快速原型開發平臺上進行鋁合金平板堆焊弧長控制試驗，焊接過程中焊槍高度保持在20 mm，焊接材料如表1所示。

2.1 調節脈沖占空比弧長控制試驗

調節脈沖占空比弧長控制試驗參數見表2。

在進行控制試驗時，系統運行穩定后起弧，調節占空比進行弧長控制。焊接過程中經過分壓分流后采集到的電信號如圖4所示。

圖2 調節脈沖占空比弧長控制軟件系統

圖3 調節脈沖頻率弧長控制軟件系統

由圖4可知，當電弧受到外界干擾時，通過弧壓反饋信號，在一定范圍內調節占空比，使脈沖電流發生變化，從而及時控制弧長變化。采用調節占空比進行弧長控制獲得的焊縫形貌如圖5所示。

表1 焊接材料

表2 調節脈沖占空比弧長控制試驗參數

圖4 焊接過程中信號的變化情況

圖5 焊縫形貌

2.2 調節脈沖頻率弧長控制試驗

調節脈沖頻率弧長控制試驗參數見表3。

表3 調節脈沖頻率弧長控制試驗參數

在進行控制試驗時，系統運行穩定后起弧，調節脈沖頻率進行弧長控制。焊接過程中經過分壓、分流后采集到的電信號如圖6所示。

在鋁合金平板堆焊采用調節頻率控制弧長所獲得的焊縫形貌如圖7所示。當焊接過程遇到干擾時，脈沖頻率發生改變，從而改變焊絲熔化速度，實現弧長控制，焊縫成形相對較好。

3 階躍驗證試驗

為了驗證基于快速原型開發平臺的鋁合金脈沖MIG焊弧長的抗擾動能力，設計了弧長階躍擾動焊接試驗，如圖8所示。

為了觀察弧長控制焊接過程，通過CCD視頻采集系統采集圖像，如圖9所示。通過脈沖頻率和脈沖占空比控制弧長，電弧在階躍后迅速恢復穩定。

由于焊槍噴嘴與工件表面的距離突然減小，弧長也相應減小，此時脈沖頻率增加，焊絲熔化速度增加，同時由于焊絲送進速度恒定，弧長很快恢復到平衡位置。焊接過程中經過分壓分流后采集到的電信號如圖10所示。

4 結論

（1）針對鋁合金脈沖MIG焊接過程電弧不穩定的情況，建立了快速原型脈沖MIG焊電源開發平臺。

（2）在快速原型脈沖MIG焊電源開發平臺基礎上，通過調節脈沖占空比和脈沖頻率控制弧長進行鋁合金平板堆焊試驗，發現兩種方案控制效果明顯。

（3）階躍試驗表明，通過調節脈沖占空比和脈沖頻率可實現對弧長的快速、穩定調節，同時在出現干擾信號時能夠迅速響應處理，保證了焊接過程的穩定，獲得良好的焊縫成形。

圖6 焊接過程中信號的變化情況

圖7 焊縫形貌

圖9 階躍試驗電弧分幀圖

圖10 焊接過程中信號的變化情況

[1]范子杰，桂良進，蘇瑞意.汽車輕量化技術的研究與進展[J].汽車安全與節能學報，2014（01）：1-16.

[2]鄭暉，趙曦雅.汽車輕量化及鋁合金在現代汽車生產中的應用[J].鍛壓技術，2016（02）：1-6.

[3]張剛，黃健康，石玗，等.基于脈沖電流參數的鋁合金脈沖MIG 焊過程控制[J].焊接學報，2013（12）：59-62+4.

[4]Praveen P，Yarlagadda P K D V，Kang M J.Advancements in pulse gas metal arc welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2005，164-165（20）：1113-1119.

[5]Hua X，Fang L I，Zhiqiang L U，et al.Frequency-character combine control method of arc length adjustment of GMAW-P[J].Transactions of the China Welding Institution，2009，30（10）：53-56.

[6]Lihui L U，Ding F，Huang J，et al.Study on arc length control system for pulsed MIGweldingofaluminumalloy[J].Hanjie Xuebao/transactions of the China Welding Institution，2011，32（9）：53-56.

[7]王偉明，劉嘉，馬德，等.脈沖焊全數字控制系統[J].焊接學報，2004，25（2）：35-38.

[8]盧立暉，石玗，黃健康，等.鋁合金脈沖MIG焊焊絲伸出長度視覺檢測控制[J].焊接學報，2011（07）：63-66+116.