雙絲MUP控制技術在橋殼焊接中的應用研究

蘇立虎

（唐山松下產業機器有限公司，唐山 063020）

1 前言

車橋尤其是重型載貨汽車車橋在整車中作用巨大，將發動機發出的動力傳給驅動車輪，支持車輛正常行駛，并可根據需要使汽車轉向、變速增扭保證行車安全。車橋的生產主要以焊接為主，焊接的位置主要是橋殼主體、加強圈和后殼，焊接工藝保證了車橋的生產質量[1-2]。焊接工作需要大量的時間，因而需要提高焊接效率。隨著焊接設備的發展，逆變電源的應用越來越廣泛，新的焊接技術、焊接方法、焊接工藝得以應用，車橋的焊接從以往單絲氣體保護焊逐漸向大功率焊接電源粗絲焊接、復合焊接、雙絲焊接等更高效率的焊接工藝發展。其中，雙絲脈沖工藝在焊接領域比較成熟，應用在多個行業和領域[3-4]。為進一步降低熱輸入量、提高焊接速度改善焊縫成形，在雙絲工藝基礎上針對性地開發了雙絲混合脈沖（Mix Up Pulse，MUP）控制工法，并對其中的4種模式進行了分析對比。

2 雙絲焊接介紹、試驗設備

雙絲焊接技術采用一臺電源或兩臺電源實現同時熔化2 根焊絲。根據使用電源數量的不同，可分為單電源雙絲、雙電源雙絲2 種。根據是否共電極雙電源雙絲又可分為Tandem 串聯雙絲和TwinsArc 并聯雙絲。由于TwinsArc 結構的雙絲，需采用同相位模式，兩電弧之間的干擾比較大，市場應用較少。Tandem 結構的雙絲兩個電極彼此獨立，兩臺電源的焊接電流、電壓、送絲速度等參數可分別進行調節，但是兩焊接電源之間需要相位協調、通信，結構較復雜，但焊接效果好，市場應用范圍很廣，國內外研究此技術也比較多。單電源雙絲技術目前市場應用較少，對機械結構要求較高，需要大功率的電源[5-6]。

試驗設備采用唐山松下最新開發的第二代Tandem 雙絲焊接系統，系統包括2 臺全數字逆變焊機、1 臺通信接口裝置、1 套鏡像送絲機、1 臺機器人、1 把雙絲焊槍及雙絲焊接專用軟件。系統中配備的逆變焊機搭載二次關斷控制技術，有效降低焊接過程產生飛濺。

3 MUP焊接工法開發

3.1 單絲MUP控制

MUP 控制工法是熔化極脈沖與短路過渡結合的焊接方法，即在整個焊接過程中脈沖焊接與直流焊接交替進行，以達到降低熱輸入、改善焊縫成形、提高焊接質量的目的，波形示意見圖1。

圖1 單絲MUP焊接工法波形示意

圖1 所示為整個焊接過程，首先使用A 脈沖電流引弧，引弧成功后由于要經歷慢送絲到主焊接的爬坡過程，因此設定了延時時間，延時時間到達后切換為B 短路電流。按照預先設定的頻率、占空比等參數使A 脈沖電流與B 短路電流交替焊接直至焊接結束，關鍵控制參數參考表1。

表1 MUP工法控制關鍵參數

3.2 雙絲MUP控制

在單絲MUP 工法控制的基礎上進一步開發了雙絲MUP 工法,雙絲MUP 分為4 種模式。

模式1：前絲純脈沖控制，后絲采用MUP 控制工法，波形示意如圖2 所示。由圖2 可知，前絲只需設定電流、電壓即可進行脈沖焊接，后絲需設定AB 電流、占空比、頻率等參數。當前絲先引弧，形成熔池后再讓后絲引弧，以防止初期起弧時前后絲之間干擾引起斷弧。后絲進入主焊接后，才開始進行AB 電流的切換，實現MUP 工法焊接，可根據需要調整B 電流占空比即AB 電流的頻率，當B 電流進入收弧焊接后，使用脈沖焊接，不在進行AB 電流的切換。起弧階段送絲速度由0逐漸爬升至主焊接送絲速度，收弧階段送絲速度由主焊接送絲速度逐漸降低到0，這2 個階段為維持電弧穩定，不進行AB 電流切換，單純使用脈沖焊接。

圖2 模式1 PPPS模式控制波形示意

模式2：前絲MUP 焊接控制工法，后絲脈沖焊接工法，波形示意如圖3 所示。

圖3 模式2 PPSP模式控制波形示意圖

模式2 與模式1 控制類似，前絲在主焊接過程進行AB 電流的切換，起弧和收弧階段使用脈沖焊接方式。

模式3：前后絲均采用MUP 焊接工法，前絲脈沖焊接后絲也為脈沖焊接，前絲直流焊接后絲也為直流焊接，波形示意如圖4所示。

圖4 模式3 PPSS模式控制波形示意

模式3：當前絲和后絲都進入了主焊接過程，再進行AB 電流切換，此時后絲AB 電流的頻率即B 電流的占空比受前絲控制并與前絲保持一致。前絲采用A 脈沖焊接電流時后絲采用A 脈沖焊接電流，前絲切換為B 直流焊接電流后后絲也跟隨切換為直流焊接電流，在整個焊接過程中如此反復。當收到焊槍關閉的信號后，前后絲進入收弧階段，切換為脈沖焊接方式。

模式4：前后絲均采用MUP 焊接工法，前絲脈沖焊接后絲為直流焊接，前絲直流焊接后絲為脈沖焊接，波形示意如圖5 所示。模式4 與模式3 相似，當前絲和后絲都進入了主焊接過程，才進行AB 電流的切換，此時后絲AB 電流的頻率即B 電流的占空比受前絲控制并與前絲保持一致。前絲A 脈沖焊接電流時后絲采用A 直流焊接電流，前絲切換為B 直流焊接電流后絲也跟隨切換，此時后絲采用脈沖焊接電流，在整個焊接過程中如此反復。當收到焊槍關閉的信號后，前后絲進入收弧階段，切換為脈沖焊接方式。

圖5 模式4 PSPS模式控制波形示意

與前后絲均為脈沖焊接對比，由于4 種模式均加入了直流控制，因此在不同程度上降低了電弧對母材的熱輸入量。脈沖中加入直流焊接控制后，電弧不斷在脈沖焊接與直流焊接間進行切換，送絲速度也進交替變化，攪動了熔池，利于氣體的析出，降低了氣孔產生的傾向。

4 車橋焊接試驗

將開發的雙絲MUP 在車橋主體的縱縫和加強圈上進行焊接試驗，分析新焊接控制方式對車橋焊接的影響，圖6 所示為焊接試驗平臺。

圖6 車橋焊接試驗平臺

車橋主體縱縫為厚度14 mm，60° V 形坡口，2 mm 鈍邊，焊縫計算深度不低于板厚的70%，焊縫寬度大于14 mm。原有單絲工藝采用打底、填充、蓋面焊接3 次，改為雙絲焊接后僅焊接一次即可。前后絲均為脈沖焊接時，熱數量較大，焊縫成形略差有褶皺產生，氣孔出現的概率較高，加強圈的焊接也存在類似的問題。

采用4種模式分別對車橋主體縱縫和加強圈環形焊縫進行焊接試驗，分析對比雙絲MUP 焊接工法能否適用于車橋焊接，改善成形、降低氣孔概率。

試驗條件：神鋼MG-51T 碳鋼焊絲，絲徑1.2 mm，氣體82%Ar+18%CO2,前后絲焊接參數及MUP 相關參數請參照表2 表3 所示。

表2 車橋主體縱縫焊接前后絲相關參數

表3 縱縫焊接前后絲MUP控制工法相關參數表

使用模式1 至模式4 分別進行4 組焊接試驗，對焊接波形、電弧狀態及焊后金相進行分析，波形中從上到下分別為前絲電壓、后絲電壓、后絲電流、前絲電流，焊接波形參考圖7~圖10。

圖7 模式1 PPPS模式焊接波形及金相組織

圖8 模式2 PPSP模式焊接波形及金相組織

圖9 模式3 PPSS模式焊接波形及金相組織

圖10 模式4 PSPS模式焊接波形及金相組織

使用模式一焊接時前絲脈沖焊接電弧穩定性好，后絲MUP 工法攪動了熔池焊縫表面成形有所改善，氣孔變少，焊縫計算深度和寬度均能滿足要求，見圖11；模式2焊接時前絲MUP控制也一定程度上降低了熱輸入，通過金相發現整到焊縫計算深度不太一致，有深有淺，表面成形與前后絲都為脈沖焊接時相當，這也表明后絲影響了成形。模式3 通過金相發現焊縫計算深度較為一致，但在脈沖與直流切換時電弧穩定性略差，成形與模式2相當。模式4與模式2焊縫計算深度表現相當，焊縫不太一致，成形也不如前3 種模式。4 種模式的焊縫金相參考圖7~圖10，綜合對比，模式1更適合縱縫焊接。

圖11 縱縫焊接金相組織

車橋的加強圈也是重要的焊接部位，本次試驗加強圈厚度為12 mm，焊接要求焊縫熔深大于2 mm，焊腳大于10 mm，焊縫計算厚度不小于8 mm，焊接速度大于0.5 m/min，在保證焊接品質的前提下盡量減少焊接飛濺。采用相同的方式對加強圈焊縫進行4 種模式的焊接，經分析對比當焊接時不擺動的條件下，模式3 焊縫成形最好電弧也較為穩定，不易產生氣孔。通過車橋主體縱縫和加強圈焊縫的焊接發現，當后絲為MUP 工法焊接時，通過焊絲攪動熔池可降低熱輸入量改善焊縫成形，促進氣體析出，當焊槍擺動焊接時采用模式1較為合適，當不擺動焊接時采用模式3 更為合適，采用模式1 對加強圈進行焊接并進行金相分析，焊縫熔深、焊縫計算厚度等均滿足焊接要求，圖12 為加強圈金相圖，圖13 為加強圈焊縫成形示意。

圖12 加強圈焊接金相組織

圖13 加強圈焊縫成形

5 結束語

Tandem 雙絲焊接是一種高速高效的焊接方式，可以極大提高生產效率。在車橋焊接過程中，為降低熱輸入、改善焊縫成形、促進焊接過程中氣體的析出降低氣孔率，開發了4 種模式的雙絲MUP 控制工法。

當后絲采用MUP 工法控制進行焊接時，不論前絲是否采用了MUP 工法，均能改善焊縫成形。通過焊絲攪動熔池促進了氣體的析出，減少了焊接氣孔。通過對4 種模式進行焊接對比分析，經綜合分析，當采用擺動焊接時，使用模式1 即前絲使用脈沖焊接后絲使用MUP 控制工法，效果最為合適；當焊接不擺動時使用模式3 即前后絲均采用MUP 控制且前后絲同為脈沖或同為直流焊接時效果最好。