脈沖MIG焊參數一元化試驗研究

蔣成燕，陳克選，陳 濤，李述輝

(蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

脈沖 MIG 焊（Pulsed Metal Inert Gas Welding）具有在較大電流調節范圍內均能夠實現射滴過渡、軸向性好、適用于全位置焊接、熱輸入量方便可調以及焊接質量好等優點，但是其參數調節過于復雜。而一元化調節是通過單旋鈕來改變送絲速度，自動協調匹配焊接電流和焊接電壓等焊接參數的關系。建立一元化的數據庫可以簡化脈沖MIG電源的參數調節，使焊機的操作簡單，降低對焊工經驗的依賴。

國內有學者進行了鋁硅合金材料雙脈沖焊接一元化調節專家數據庫的試驗和開發[1]，以焊接電流為調節參數分檔調節，進行工藝試驗，取得典型的焊接工藝參數，實現按若干檔位調節的參數一元化。也有研究人員曾進行了CO2焊接參數一元化的試驗研究[2]，以焊絲直徑為調節量，建立焊接電流信號和電壓信號的一元線性回歸方程，實現焊接參數的一元化調節。本研究采用焊接參數協同控制的方法，以送絲速度為調節量，通過正交試驗得到各參數的最佳匹配組合，建立送絲速度調節的一元化數據庫，為實現脈沖MIG焊接參數的一元化調節提供實驗依據。

1 試驗設備

采用自行研制的Super MIG-500數字化脈沖MIG焊機，焊機硬件有主電路和控制電路兩部分。焊機主要組成結構原理如圖1所示。

圖1 焊機結構原理

主電路包括：抗共模濾波、三相整流濾波、全橋逆變、功率變換、輸出整流濾波五部分。電網中的三相交流電首先經整流橋整流為脈動的直流電，經電容濾波后變成平滑的直流電，再經四個IGBT開關管的交替輪流導通逆變成高頻方波交流電，經高頻變壓器降壓，最后由全波整流和電抗器濾波輸出，實現功率的轉換，供給電弧。控制電路分為主控電路、驅動電路和送絲電路。主控電路以80C196KC單片機為核心，通過編程實現焊接過程控制、電流電壓采樣、A/D轉換、PI運算、參數預置等功能。驅動電路采用電流型PWM控制芯片UC3846產生帶死區的兩路PWM來控制全橋IGBT的導通脈寬，從而控制焊機的輸出電壓和電流。送絲電路采用開關電源型電路，通過單片機給定的不同脈寬信號來得到不同的電壓，從而獲得所設定的送絲速度[3]。

2 試驗方法

2.1 正交試驗

正交試驗是利用正交表進行科學地安排與分析多因素試驗的方法，能夠在因素變化范圍內均衡抽樣，使每一次的試驗都具有較強的代表性，保證了全面試驗的某些要求，節省了大量的人力、物力和時間[4]。而脈沖MIG焊的影響因素眾多，工藝參數優化困難。故本研究將正交試驗應用于脈沖MIG焊的工藝試驗中。

在保證焊接速度、焊絲伸長量、保護氣體流量等條件一致的前提下，影響脈沖MIG焊焊接效果的因素有：峰值電流（Ip），基值電流（Ib），峰值時間（Tp），脈沖頻率（f=1/T），脈沖寬度比（占空比）[5]。故采取了規格化的四因素三水平正交試驗表。針對每一個送絲速度，采用正交試驗的方法進行工藝試驗得到與其匹配的最佳參數。

工藝試驗的焊接條件：試件為厚4.0 mm的Q235鋼板，φ1.2 mm鋼焊絲，保護氣體為純氬，氣體流量15 L/min，平板堆焊。以 φ1.2 mm 焊絲、3.0 m/min送絲速度為例進行四因素三水平的正交試驗，即峰值電流、基值電流、頻率和占空比，每個因素取三個水平。按照優選法進行因素的水平選取，通過大量試驗進行優水平的逐次逼近，試驗確定各因素的優水平如表1所示。

表1 四因素三水平正交試驗表

2.2 試驗數據

按正交試驗規定的方案完成每一號實驗，試驗不按表1的試驗號的順序進行試驗，而是按抽簽方法進行隨機試驗，消除由于試驗中操作掌握不勻所帶來的干擾以及外界條件所引起的系統誤差。詳細記錄焊接過程和焊縫質量。針對焊接質量的評定標準如表2所示。根據焊縫質量評定歸類分優、中、差，試驗焊縫質量初步歸類見表3。

表2 焊縫質量評定標準

表3 焊縫質量分類

2.3 試驗結果和數據分析

峰值電流、基值電流、脈沖頻率、占空比對脈沖MIG焊焊接質量的影響各有不同：

（1）基值電流的作用是在脈沖間歇期間維持焊絲與焊接熔池的導電狀態，保證脈沖電弧穩定燃燒，同時預熱焊絲和母材，使焊絲端部有一定的熔化量，為脈沖電弧期間熔滴過渡做好準備。

（2）峰值電流是決定脈沖能量的一個重要因素。為了使熔滴呈射流過渡，脈沖峰值電流值一定要大于臨界脈沖電流值，但臨界脈沖電流值不是固定的，它隨著脈沖峰值時間和基值電流的增加而減小；反之，隨著這兩個參數的減小而增大。在平均電流和送絲速度不變的情況下，峰值電流增大，熔深增大；峰值電流減小，熔深減小。

（3）脈沖頻率的大小主要根據焊接電流來確定。若焊接電流或送絲速度較大，需要選擇較高的脈沖頻率。焊接電流較小，脈沖頻率則應選低一些。但脈沖頻率的調節范圍有一定的限制。脈沖頻率過高，將失去脈沖焊接的特點；脈沖頻率過低，則焊接過程不穩定，由于脈沖之間相隔時間較長，還可能產生焊縫兩側熔合不良等缺陷，一般不大于80 Hz。

（4）脈沖占空比反映了脈沖焊接特點的強弱。脈寬過大，脈沖焊接的特點就不明顯，一般不大于50%[6]。

從正交試驗結果可知，四個因素權重的主次順序為：峰值電流＞占空比＞頻率＞基值電流，分析試驗結果得到參數匹配的最優方案：峰值電流120 A、基值電流20 A、頻率40 Hz、占空比20%，具體結果如表4所示。

通過分析這九組試驗：對焊接質量影響最大的是峰值電流，且當峰值電流為120 A時焊縫質量為優，比如1#、2#；其次是占空比的影響，占空比為20%時焊縫質量為優，比如 2#、6#、7#。1#、2#和 7#焊縫質量最好，成形好且有均勻魚鱗紋、飛濺小、噪聲小。

正交試驗理論分析得到的最優方案在執行之前需要進行對比驗證試驗，將九組正交試驗中焊縫質量最好的2#試驗方案與正交試驗得出的最優方案進行對比試驗。試驗結果表明，正交試驗得到的最優方案比2#試驗方案焊縫質量更好。故將最優方案作為一元化調節的參數。

2.4 建立數據庫

按照上述正交試驗的方法，針對每個送絲速度取得峰值電流、基值電流、頻率、占空比的最佳匹配值建立一元化的數據庫，針對碳鋼材料、φ1.2 mm焊絲直徑的一元化數據庫如表5所示。

表4 試驗結果及分析

表5 φ1.2 mm焊絲焊接低碳鋼的最優參數

采用數據庫中給出的最優參數進行了大量的焊接工藝試驗，以驗證參數的可重復性。典型焊縫照片如圖2所示，焊接參數為：4.0 mm厚的Q235鋼板，φ1.2 mm鋼焊絲，保護氣體為純氬，氣體流量15 L/min，送絲速度 3.0 m/min，手工焊接，峰值電流120A，基值電流20A，頻率40 Hz，占空比20%，平板堆焊。焊縫成形均勻，魚鱗紋美觀，焊接過程穩定，無斷弧現象和飛濺，焊縫質量穩定可重復性強，能夠達到工業焊接要求。

圖2 送絲速度3.0 m/min一元化參數焊縫

4 結論

（1）采用自行研制的數字化脈沖MIG焊機，在給定試驗條件下進行了四因素三水平的正交試驗，對焊接過程和焊縫質量提出了評價標準和分類原則。

（2）分析試驗結果，得到了四因素的權重順序，獲得了給定送絲速度的各因素的最優水平即各參數的最佳匹配值。

（3）以正交試驗為基礎，獲得在不同送絲速度下的峰值電流、基值電流、頻率及占空比的最佳匹配值，即建立了以送絲速度為調節量的一元化數據庫，為研制一元化脈沖MIG焊機提供了實驗依據。

[1]黃文超，熊丹楓，薛家祥.鋁硅合金雙脈沖MIG焊專家數據庫[J].焊接技術，2009，38（11）：43-46.

[2]杭爭翔，甘洪巖，李 利.CO2焊接參數一元化試驗研究[J].沈陽工業大學學報，2006，28（1）：25-28.

[3]李述輝.數字化脈沖MIG焊機的研制[D].蘭州：蘭州理工大學，2011.

[4]姜同川.正交試驗設計[M].濟南：山東科學技術出版社，1985.

[5]Subramaniam S，White D R，Jones J E，et al.Experiment approach to selection of pulsing parame ters in pulsed GMAW[J].Welding Journal，1999，78（5）：166-172.

[6]殷樹言，張九海.氣體保護焊工藝[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1989.