交替雙弧復合焊接電源及工藝

張　濤，黃鵬飛，白韶軍，盧振洋

交替雙弧復合焊接電源及工藝

張濤，黃鵬飛，白韶軍，盧振洋

（北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

提出了一種TIG+MIG交替雙弧復合焊接工藝方法，其MIG主電弧存在于焊絲和母材之間，TIG輔助電弧一端在鎢極上，另一端在焊絲和母材之間切換，適當調節輔助電弧兩個狀態的時間比率和強度，可以實現熔敷金屬量和熱輸入量的相對獨立控制。設計交替雙弧復合電源并進行工藝試驗，結果表明，TIG+MIG交替雙弧復合焊改變了電弧能量的分布，同時在保證母材熱輸入不變的情況下，能夠增大流經焊絲的電流。

交替；雙弧復合；熱輸入；電弧能量分布

0　前言

焊接作為一種重要的制造成形工藝，其工作效率的提高對企業總生產率的提高有著重要的影響。現代制造業為了增強市場競爭能力，對薄板焊接生產加工的效率提出了越來越高的要求[1]。提高焊接速率的主要方法是通過增大焊接電流來增加熔敷金屬量，但是當電流或者焊接速度超過某臨界值后變會出現焊縫咬邊、駝峰等焊接缺陷[2-3]。

一般來說，隨著焊接速度的提高，咬邊先于駝峰出現，所以抑制咬邊的產生對提高焊接速度至關重要。通常抑制咬邊主要有兩個方法：（1）在保證母材熱輸入相同的條件下，增大焊接熔敷金屬量；（2）降低焊趾處的溫度梯度[4]。美國肯塔基大學的張裕明教授最早提出了旁路耦合TIG+MIG的高速焊接工藝方法[5]，該方法采用TIG電弧旁路分流的方法，有效的增大了熔敷金屬量；石玗教授在其研究的基礎上又提出了一種雙TIG旁路耦合焊接工藝[6]；山東大學的曹梅青研究了雙絲間接電弧焊接的工藝[7-8]；上述方法都是從解決咬邊問題的第一種途徑考慮，也取得了較好的效果，但是都無法改變電弧的能量分布。哈爾濱工業大學的耿正教授發明了一種雙交流熔化極復合電弧氣體保護焊接設備，該設備采用兩臺交流MIG焊機的極性變換，在兩個焊絲之間建立輔助電弧，可以有效減小母材熱輸入[8]，但是由于整體能量太大，不易用于薄板焊接。

目前國內外學者在研究雙弧或多弧復合焊接工藝時都有一個共同的特點，即電弧的空間位置是相對固定的，在降低母材焊接熱輸入的同時難以調節電弧能量分布，而能量分布對提高焊接速度至關重要。本研究提出一種交替型電弧TIG+MIG復合焊接的工藝方法，可以用于同時解決上述兩方面問題，其焊接能量介于單絲與雙絲之間，可用于薄板焊接。該方法中MIG主電弧存在于焊絲和母材之間，TIG輔助電弧一端在鎢極上，另一端在焊絲和母材之間切換，通過調節輔助電弧兩個狀態的時間比率和電弧強度，可以實現熔敷金屬量和熱輸入量的相對獨立控制。開展TIG+MIG交替雙弧復合焊接工藝的研究，并從本質上分析該焊接方法，對于研究薄板高速焊接具有重要意義。

1　電源平臺

1.1工藝方案與主電路工作原理

TIG+MIG交替雙弧復合焊工藝方案如圖1所示。其基本工藝原理是直流MIG電源與母材持續建立起電弧1，交流TIG電源在鎢極與焊絲之間以及鎢極與母材之間交替建立起輔助電弧2、3。當輔助電弧2存在時，TIG電流經過焊絲、電弧2、鎢極并流回電源，它能增大流經焊絲的電流同時不影響母材熱輸入，進而提高熔敷金屬量。當輔助電弧3存在時，TIG電流經過鎢極、電弧3、母材流回電源，電弧3對母材有預熱作用，由于電弧1、3同時存在，改變了焊接熱輸入的大小和分布方式。通過適當調節輔助電弧兩個狀態交替出現時間比率和強度大小，可以實現熔敷金屬量和熱輸入量的相對獨立控制。

圖1　交替雙弧復合焊工藝原理

為了實現協同控制兩套電源，采用一個核心控制電路同時控制兩路電源輸出。交替雙弧復合焊接系統分為主電路和控制電路兩部分，電源主電路結構如圖2所示。

圖2　電源主電路結構

該電源主電路由交流TIG電源、直流MIG電源組成。電源一次逆變均采用全橋拓撲結，選用的開關管為IGBT，交流TIG二次逆變電路通過開關管（IGBT5、IGBT6）的交替導通以及整流二極管（VD1～VD4）的整流作用，在變壓器T1二次側形成不同的電流回路，控制開關管（IGBT5、IGBT6）的導通過程，就可以在TIG電源三個輸出端之間獲得兩種電流輸出方式，最終在鎢極端實現電流的極性轉變。

1.2控制電路

控制電路采用dsPIC30F2020和dsPIC30F6011A兩款芯片，其控制框圖如圖3所示。

焊接過程中，dsPIC30F6011A接收送絲系統的送絲信號以及人機交互面板發送的給定值，并通過SPI通信將給定參數值發送至dsPIC30F2020。由于兩款芯片均通過AD采樣端口采集焊接現場的實時電流、電壓信號，dsPIC30F2020將焊接現場實時采樣值與系統給定值進行比較，進行PID運算，將計算結果值以PWM形式控制全橋電路的輸出，實現對兩套電源的恒電流或恒電壓控制，同時檢測電源輸出是否過電流，當發生過電流時降低占空比，以防大電流對主電路功率器件造成破壞；同時，dsPIC30F6011A芯片根據輸出電流信號，驅動TIG電源的二次逆變過程，并驅動交流高壓穩弧電路，保證焊接過程中交流TIG電源在電流輸出極性轉變時獲得相應的高壓穩弧效果，最終實現兩套電路的協同工作。

圖3　控制框圖

1.3二次逆變電路優化分析

二次逆變開關管IGBT5或IGBT6關斷瞬間，根據電感電流不能突變的原理，原電路勢必有很大的電流繼續存在，此電流會對電路開關器件構成危險。為了盡量降低危險，設計TIG交流電源二次逆變回路電感L1、L2使用為雙胞電感，雙胞電感中兩路電感繞線使用同一磁芯，這樣二次逆變在切換的過程中兩回路可以抵消一些因電感差異而導致的誤差，同時利用雙胞電感中電感能量可以完全耦合的原理，二次逆變開關管IGBT5、IGBT6交替關斷瞬間電感產生的能量能夠耦合到對側電感所在的導通回路中釋放掉。

但是在實際工作過程中，電感的漏磁現象不可避免，在開關切換瞬間電感的能量無法完全通過另一個繞組上，由于開關管IGBT在制造過程中內部都會產生一個容量很小的結電容，結電容與開關管并聯在一起，漏磁電流給結電容充電，將導致開關管兩端附加一個幅值很高的尖峰電壓。為了保護功率開關器件的安全，在開關管上設計了RCD吸收電路來降低開關管上的電壓尖峰。

當開關管關斷瞬間，電感的漏磁電流會通過快恢復二極管VD給吸收電容C快速充電，充電后的電容兩端產生高壓，電容容量越大，其兩端電壓越低，由于吸收電容C的容量遠大于開關管內部的結電容容量，從而減緩了開關管集電極電壓的上升。當下次開關管導通后，電容C所充的電量會通過大功率電阻R以熱能的形式釋放掉。

在一定范圍內，吸收電容的電容值取值越大，開關管的電壓尖峰也就越小。由于交流頻率50 Hz比較低，開關管導通、關斷持續時間都比較長，因此緩沖電容值的選取為主要考慮因素。表1為交流TIG電源輸出不同電流值時，不同吸收電容容值對應的開關管關斷后兩端電壓值。

表1　開關管兩端最大電壓值V

電路設計中二次逆變開關管耐壓值為1200 V，為了安全，選取吸收電容3.0 μF，根據式（1）、式（2）計算選取合適功率的吸收電阻值。

式中R為吸收電阻；C為吸收電容；ton為開關管最小導通時間；f為交流頻率；PR為吸收電阻功率。

2　實驗方案

為了實現焊接電源熱輸入的控制和對比，采用TIG交流輸出與MIG恒電壓輸出交替復合焊接平板堆焊方法，使用高速攝像系統采集電弧形態。設定MIG電源恒電壓輸出30 V；TIG電源交流輸出電流100 A，工作頻率50 Hz，其中交流電弧2持續時間8 ms；工件采用厚度3 mm的普通碳素結構鋼Q235；焊絲直徑φ1.2 mm，型號JM-56；保護氣為純氬氣，氣體流量15 L/min；鎢極直徑φ3.2 mm；焊接過程中調節焊絲干伸長15mm；送絲速度6m/min，焊接速度0.8 m/min。

3　實驗結果

3.1焊接電流

使用示波器采集兩套電源輸出電流波形，傳感器采樣2 V代表輸出電流300 A。交替復合焊接過程中兩套電源輸出電流的波形如圖4所示。交替復合焊接過程中，TIG電源工作頻率為50 Hz，鎢極端交流電流輸出100 A，與焊絲之間建立電流的時間為8 ms（曲線3的正半軸），與母材建立電流的時間為12 ms，TIG電源輸出參數值與設定相同；MIG電源恒電壓輸出電流值根據輔助弧的交替出現實時波動，平均值170 A。流經焊絲的疊加電流為脈沖電流，其基值電流幅值與主弧1電流相同，峰值電流約為270 A。

MIG電源輸出電流實時波動，這是由于主弧MIG電源為恒電壓工作模式，因此當TIG電流流經焊絲時，主弧1恒電壓輸出電流有下降的趨勢。由于恒電壓PID調節不易過快，因此當TIG電流又切換到母材時，主弧1恒電壓輸出的電流又開始上升。通過曲線3可以認為，MIG電源恒電壓輸出電流變化不大。

TIG電源恒流輸出100A，當TIG電流流經母材時，由圖4中曲線1可知，此時流經焊絲上的疊加電流突變增大，脈沖峰值等于TIG電流與MIG電流之和。這樣就能保證主弧1在熱輸入不變的前提下，增大熔化焊絲的電流。因此，交替雙弧復合焊接設備在焊接過程中，通過交流TIG輔助電弧的作用，可以實現增大熔敷金屬量的同時減小焊接熱輸入。

示波器采集橫軸10ms/div，縱軸2V/div；曲線1為流經焊絲的疊加電流，曲線2為主弧流經焊絲的電流，曲線3為TIG電源鎢極端交流輸出電流，曲線4為TIG電源流經母材的電流。圖4　TIG電流80 A時系統輸出電流波形

3.2電弧形態

TIG+MIG交替雙弧復合焊焊槍結構以及典型電弧形態如圖5所示，焊縫成形照片如圖6所示。

圖5　交替雙弧復合焊焊槍結構與電弧形態

圖6　焊縫成形照片

由圖5可知兩種空間電弧復合形態，當輔助電弧2與主弧1同時出現加熱焊絲時，僅有主弧1的能量進入母材；當輔助電弧3與主弧1同時加熱母材時，兩個電弧沿焊接方向并聯分布，熱量分布在焊接方向上被拉長。在相同熱輸入和焊接速度的條件下，相對于每個單元格，好比用較低的電流加熱了較長的時間，該種情況類似于低速度時的母材加熱情況，能夠降低溫度梯度，因此可以通過合理的能量分配來抑制咬邊缺陷。

由圖6可知，交替雙弧復合焊焊縫連續平整，但表面不夠光滑，說明此參數下焊接過程中熔滴過渡過程不均勻，導致熔滴下落有抖動，影響了焊縫成形效果。

4　結論

（1）提出了TIG+MIG交替雙弧復合焊接方法，通過調節TIG輔助電弧與MIG主弧的疊加方式，可以同時調節熔敷金屬量和母材熱輸入量，實現兩者的相對獨立控制。

（2）交替雙弧復合焊接電源可實現兩套電源協同工作，證明了TIG+MIG交替雙弧復合焊接方案的可行性，交替雙弧能夠建立并穩定工作，系統輸出滿足設計要求。

（3）TIG輔助電弧的存在實現了熔敷金屬和焊接電流或者焊接母材熱輸入的解耦，能夠在保證母材熱輸入相同的條件下，增大流經焊絲的電流，TIG電弧與MIG電弧共同作用母材，改變了加熱母材的電弧能量分布。

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Research of an alternating double arc hybrid welding eqiupment and its technology

ZHANG Tao，HUANG Pengfei，BAI Shaojun，LU Zhenyang
（College of Mechanical Engineering&Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

An alternating TIG+MIG double arc hybrid welding process is presented whose main arc exists between the welding wire and the base material，one end of auxiliary arc exists in the tungsten electrode and the other end switches between the welding wire and the base material.The relatively independent control of the amount of deposited metal and heat input can be achieved by adjusting the time ratio and strength of the two states in the auxiliary arc appropriately.Design an alternating TIG+MIG double arc hybrid welding equipment and welding experiments，the results show that TIG+MIG alternating double arc hybrid welding has changed the distribution of arc energy，and increased the current flows through wire while ensuring the unchangeable heat input.

alternating；double arc compound；heat input；arc energy distribution

TG434

A

1001－2303（2016）01－0045-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.10

2015-05-18；

2015-08-20

國家自然科學基金資助項目（51475008）

張濤（1988—），男，碩士，主要從事新型焊接設備與工藝的研究工作。