旁路熔絲耦合電弧高速焊電弧行為研究

張 碩 ，信 凱 ，丁亞龍 ，丁鑫健 ，張 亮 ，門廣強

（1.河北省材料近凈成形技術重點實驗室 河北科技大學，河北石家莊050018；2.北京汽車股份有限公司，北京101300）

0 前言

汽車產業是集資本、技術、知識密集于一身，帶動上下游和相關產業集聚發展的戰略產業，已成為我國最重要的戰略性支柱產業之一[1-2]。我國是世界汽車產銷第一大國，但汽車制造裝備基礎薄弱，關鍵工藝和成套裝備極其缺乏，相關核心技術、高端裝備長期被國外壟斷，迫切需要自主研發。面對國際競爭的激烈化，我國汽車制造企業自主創新能力的提升是關系我國汽車產業能否由大變強的關鍵問題之一[3-4]。

汽車車身制造主要分為沖壓、焊裝、涂裝和總裝四大工藝[5-6]，焊接起著承上啟下的特殊作用，是汽車零部件與車身制造中的關鍵環節。點焊焊縫不僅密封性能差，而且焊點易腐蝕，板縫搭接處易因震動產生噪聲，電弧焊可彌補點焊的缺陷。車身的焊接質量直接決定著后面工序的質量，不良的焊接車身不僅影響整車外觀，還會產生漏雨、風噪、路噪和車門關閉障礙等問題[7]。汽車車身焊接的高節拍、高效率和高品質對傳統焊接工藝薄板高速焊提出考驗，傳統弧焊難以滿足車身1.5 m/min焊接生產速度的要求，現有車身焊接方法多采用激光電弧復合焊接方法[8-10]——焊接速度快，功率密度大，作用區域小，焊絲填充，但其焊接成本高、投資大、維護困難。

傳統電弧焊受電弧模式影響，難以保證焊接熱輸入和金屬熔敷的自由匹配，而高速焊難以獲得穩定的熔池，易產生咬邊、駝峰焊道、金屬填充不足等缺陷[11-12]。美國肯塔基大學的張裕明教授、蘭州理工大學的石玗教授、哈爾濱工業大學耿正教授分別基于DE-GMAW焊、雙旁路耦合電弧GMAW焊和雙絲動態三電弧焊接工藝[13-15]，采用旁路電極分流主弧電流的方式，利用旁路電極在保證焊絲熔化效率的前提下降低對工件的熱輸入，在保證熔敷速度的同時，減小了母材的熱輸入，通過改變旁路電弧的參數可以合理地分配焊絲與母材熱量，為高速焊接提供有利條件。基于多電弧復合模式，提出采用旁路熔絲耦合電弧焊接方法，利用等離子電弧能量密度高、焊接過程穩定和電弧挺度好的優勢，實現汽車車身薄板焊接傳熱傳質分離、母材熱輸入精確可控，為薄板高速焊接時低熱輸入高熔敷率的焊接提供新的解決途徑。

1 旁路熔絲耦合電弧焊原理

高速焊接時熔池的穩定性直接影響焊縫成形，焊接電弧波動會引起熔池表面張力變化，影響金屬流動，進而造成駝峰焊道和咬邊等缺陷。雖然恒電流特性電源能夠實現工件熱輸入的恒定控制，但傳統填絲等離子弧焊的焊絲熔化熱來自于電弧和熔池，焊絲熔化量變化又直接影響熔池流動和熱量分布。

為了減小焊接電弧對熔池的影響，同時實現焊接熱輸入和金屬熔敷的精確控制，對薄板高速焊接提出旁路熔絲耦合電弧焊接方法，基本原理如圖1所示。利用等離子電弧和旁路熔絲電弧耦合，等離子電弧建立在等離子焊槍和工件之間，工件熱輸入由等離子電弧提供，電流IPAW流經母材，獲得穩定的熔池和焊接熱輸入；旁路熔絲電弧建立在等離子焊槍和焊絲之間，焊絲熔化由旁路熔絲電弧提供，電流IWIRE保證熔化焊絲需要的熱量，流經等離子焊槍的電流為兩個電弧電流之和。等離子電弧電流和旁路熔絲電弧電流分別由等離子焊接電源和旁路熔絲電弧電源提供，兩個電流可通過兩個獨立電源分別調整，實現焊接母材熱輸入和金屬熔敷分開調整。

2 實驗方法

圖1 旁路熔絲耦合電弧焊接原理示意

在實驗系統中，為了得到穩定的焊縫和較好的焊縫成形，旁路熔絲耦合電弧焊的等離子弧焊接電源和旁路熔絲電弧焊接電源都采用直流陡降特性電源（恒電流特性），焊接速度1.5 m/min，材料為汽車車身用0.7 mm厚的DC06超深沖冷軋鋼，其化學成分見表1，填充材料為直徑1.2 mm的CuSi3焊絲。

表1 DC06鋼化學成分 %

采用雙電源協調供電模式，等離子電弧連接方式為直流正接，旁路熔絲電弧連接方式為直流反接（等離子焊槍接負極），離子氣、保護氣均為純氬氣，氣體流量分別為10 L/min和15 L/min，焊接工藝參數如表2所示，等離子電流、等離子弧高、送絲速度等均為固定值，僅改變旁路熔絲電弧電流（非一元化調節，設置為100 A、110 A、120 A和130 A）進行薄板搭接高速焊接工藝研究。焊接過程中，對電弧行為進行高速攝像拍攝，同時采集兩個電弧的電壓、電流和熔滴過渡狀態，通過電信號和熔滴過渡狀態的對比分析焊接過程的穩定性。

表2 旁路熔絲耦合電弧實驗參數

3 實驗結果與分析

3.1 熔滴過渡狀態

在旁路熔滴電弧采用陡降特性電源的狀態下，熔滴過渡主要受等離子電弧電流和熔絲電流的影響。實驗設置等離子電弧電流為45 A，焊絲填充速度為5.0 m/min，僅改變旁路熔絲電弧的電流，觀察耦合電弧行為和熔滴過渡過程變化狀態，高速攝像的實驗結果如圖2所示。等離子電弧穩定的建立在等離子焊槍與工件之間，高速焊接時未發生電弧偏移現象；而旁路熔絲電弧未能清晰可見，主要原因是等離子電弧壓縮后電弧能量密度大，旁路熔絲電弧的弧柱融入到等離子電弧的弧柱中，但從旁路熔絲電弧電壓與電流的波形（見圖3）可知，雖然旁路熔絲電弧的電壓和電流信號有些波動，但仍處于穩定的工作狀態，而且從熔滴過渡過程也發現，焊絲熔化并過渡到熔池中是非常穩定的，尤其是在熔滴過渡過程的末期，在重力作用下焊絲熔化并逐漸與工件接觸，當熔滴脫離焊絲時，與傳統CO2焊短路過渡相似，熔滴與焊絲之間發生“縮頸”，但在高速攝像實驗中并未發現在縮頸處產生爆斷過程，說明旁路熔絲電弧是直接建立在焊絲和等離子焊槍之間的，確定了旁路熔絲電弧電流未流經工件。

圖2 電弧行為及熔滴過渡狀態

圖2中的熔滴過渡過程均處于穩定狀態，焊絲受熱熔化，在重力作用下焊絲和工件“短路”，隨著焊絲送進和熔滴長大，在熔滴重力和表面張力共同作用下熔滴過渡至熔池中。隨著旁路熔絲電弧電流從100 A增加到130 A，對焊絲的熔化熱也相應增加，熔滴過渡尺寸逐漸減小，熔滴過渡頻率相應增加，熔滴過渡越來越順利。隨著旁路熔絲電弧電流增加，旁路電弧根部的電弧力發生改變，等離子電弧力變化更明顯，因為流經等離子焊槍的總電流隨著旁路熔絲電弧電流增加而增加，增加了等離子焊槍內部壓縮效果，相應增加等離子電弧力輸出，對熔滴過渡狀態影響更加明顯，因而熔滴過渡的直徑相應減小，在送絲速度不變的條件下熔滴過渡頻率增加。

3.2 耦合電弧電信號分析

旁路熔絲耦合電弧焊接實驗中分別采集兩個電弧電信號，結果如圖3所示。

圖3 旁路熔絲耦合電弧焊電流、電壓波形

因實驗系統采用兩個恒電流電源，電流波形較小，而電弧電壓信號波動變化較為明顯，隨著旁路熔滴電弧電流的增加，兩個電弧電壓信號波動變化頻率也增加。結合熔滴過渡過程圖像同步分析，發現電弧電壓波形發生一個波動，焊絲即完成一個熔滴過渡過程，隨著旁路熔滴電弧電流增加，熔滴過渡頻率也增加。

由圖3可知，等離子電弧電壓與旁路熔絲電弧電壓變化是截然相反的。結合圖2發現，當熔滴與工件接觸時，等離子電弧電壓呈上升狀態，而旁路熔絲電弧電壓呈下降狀態的變化；隨著旁路電弧電流的增加，兩個電弧電壓變化幅度增加，尤其是以等離子電弧的變化幅度大，在電壓產生波動時，兩個電弧的電流均未受到各自電壓波動的影響而保持恒定。究其原因是實驗系統中的等離子電弧平均電壓低于旁路熔絲電弧電壓，當熔滴與工件發生短路時，等離子電弧電壓等同于焊絲端部到鎢極之間的電壓，等離子電弧與旁路熔絲電弧呈并聯狀態，因而等離子電弧電壓有明顯上升；根據最小電壓原理[16]，電弧具有最小能量消耗的特性，而等離子電弧平均電壓低于旁路熔絲電弧電壓，采用恒電流源的旁路熔絲電弧在熔滴與工件短路時，電弧電壓會向減小電壓的方向變化，因而旁路熔絲電弧電壓降低。等離子電弧電壓受旁路熔絲電弧變化而產生相應變化，等離子電弧主要作用是為母材提供熱輸入，等離子電弧變化勢必對焊縫成形產生影響。

3.3 旁路電弧電壓

由圖3可知，旁路熔絲電弧變化較為劇烈，在采用恒電流源的情況下，電弧電壓能很好的反映電弧行為，因此對旁路電弧電壓進行統計分析，統計結果如圖4所示。隨著旁路電流的增加，旁路熔絲電弧電壓統計分布圖向右平移，一方面是電流的增加導致旁路熔絲電弧電壓相應增加，另一方面在送絲速度一定的情況下，熔滴過渡頻率增加使得電壓波形的占空比增加，波形平均值增大，因此旁路熔絲電弧電壓增加。

圖4 旁路電壓統計分布

在旁路電壓統計圖中電壓呈正態分布，峰值電壓分布集中在24～28 V，主要原因是在短路過渡過程中旁路熔絲電弧的電弧力與傳統電弧力存在差異，熔滴僅依靠重力和表面張力逐漸脫離焊絲進入熔池，熔滴過渡速度低，導致過渡過程中的短路時間大于燃弧時間，因而短路過程中的電壓所占比例較大。電壓統計圖中右側電壓值較高部分為燃弧電壓，燃弧電壓所占比例明顯要低于短路電壓。旁路熔絲電弧的燃弧過程是熔化焊絲的過程，隨著旁路熔絲電弧電流增加，熔滴過渡頻率增加，燃弧電壓所占比例也相應增加。

3.4 焊縫成形

旁路熔絲耦合電弧焊接實驗在四組焊接參數下的焊縫成形如圖5所示，在厚度0.7 mm的汽車車身用薄板實現了焊速1.5 m/min的高速焊接。

由圖5c可知，焊縫表面成形良好，無明顯的咬邊和駝峰焊道等缺陷。由于旁路熔絲耦合電弧焊接方法實現了“旁路分流”作用，使主路的一部分電流流向旁路電弧用于加熱熔化旁路焊絲，較單一焊接方法時不僅提高了焊絲的熔敷率，而且大幅減小焊縫熱輸入量，同時主電弧采用恒電流模式的等離子電弧，電弧挺度高，對熔池熱影響變化較小，熔池流動穩定，因而可以實現薄板高速焊。

圖5 不同旁路電弧焊接電流的焊縫成形

隨著旁路熔絲電弧電流的增加，焊絲的熔滴過渡直徑減小，熔池流動逐漸趨于穩定。比較四組參數焊接的焊縫形貌，在旁路電流為100 A和110 A時，熔滴呈大顆粒狀過渡，熔滴過渡頻率低，高速焊接時焊絲填充與熔池流動穩定性差，造成焊縫成形不美觀，尤其是在旁路熔絲電弧電流100 A時，焊縫出現了輕微的咬邊缺陷。隨著旁路熔絲電弧電流增加，焊縫的成型效果明顯得到改善，在120 A時焊縫成形最佳，焊縫表面光滑；旁路電流為130 A時，焊縫成形優于旁路電流為100 A和110 A的，但焊縫末端出現塌陷現象，且焊縫表面光滑度下降，主要原因是旁路電流增加，進入熔池的熔滴攜帶熱量增加，導致焊縫的熱輸入量增加，對熱輸入量極其敏感的薄板易形成下塌缺陷。實驗中等離子電弧產生較大波動，對熔池金屬流動產生影響，造成焊縫表面成形光滑度下降。

4 結論

（1）提出旁路熔絲耦合電弧焊接方法，分析電弧行為、熔滴過渡圖像和電弧電信號，驗證了方法的可行性。

（2）采用熔滴過渡過程圖像同步分析系統進行薄板高速焊實驗研究，實驗結果發現，熔滴過渡過程穩定，實現了無飛濺過渡，旁路熔絲電弧電流的增加改變了耦合電弧熱力作用，熔滴過渡直徑減小，過渡頻率增加。

（3）旁路熔絲耦合電弧在焊接速度1.5 m/min時薄板搭接焊縫成形良好。