工業機器人鋁合金雙脈沖MIG焊工藝參數匹配對焊縫的影響*

林茜 許敏 朱雯靜 李文強 姚屏,2 梁道贊

工業機器人鋁合金雙脈沖MIG焊工藝參數匹配對焊縫的影響*

林茜1許敏1朱雯靜1李文強1姚屏1,2梁道贊3

（1.廣東技術師范大學機電學院，廣東 廣州 510630 2.廣州理工學院，廣東 廣州 510000 3.廣東奇正科技有限公司，廣東 陽江 529932）

目的：為提高工業機器人鋁合金雙脈沖MIG焊焊接質量，探究頻率匹配占空比對焊接質量的影響，獲得焊接效果較好的工藝參數。方法：采用雙脈沖MIG焊對3 mm厚的ER6061鋁合金板材進行焊接，觀察焊縫表面成形，分析焊接接頭幾何形狀、焊接電信號和金相組織。結果：在電流70 A、焊接速度40 cm/min、峰基比50%條件下，頻率為2 Hz、占空比為30%時，焊縫表面成形良好，無咬邊、塌陷現象，電信號穩定，可實現穩定焊接；結論：固定頻率為2 Hz時調節占空比，熔寬、熔深隨占空比的增大變化較明顯；固定占空比為30%時調節頻率，焊接效果較好；為鋁合金焊接技術工藝參數匹配及提高焊接質量提供參考與借鑒。

雙脈沖MIG焊；頻率；占空比；焊縫接頭幾何形狀；焊縫成形；焊接電信號；金相組織

0 引言

鋁合金具有線膨脹系數及導熱系數大等性能特點，易形成黏著力強且耐熱的氧化鋁薄膜，使焊接變得困難[1-2]。為改善鋁合金焊接質量，許多專家學者對鋁合金焊縫的影響因素進行研究[3-4]，主要集中在攪拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）、鎢極氬弧（tungsten inert gas, TIG）焊、熔化極氣體保護（metal-inert gas, MIG）焊[5]等方面。

姚屏等[6]通過改變電流、頻率以及焊接速度進行鋁合金雙脈沖MIG焊，實驗結果表明，該工藝不僅可以獲得美觀的魚鱗紋，還可提高焊接效率。黃麒霖等[7]在焊機一元化控制系統的基礎上，建立送絲速度、焊接電參數與平均焊接功率的關系模型，試驗結果驗證，該模型解決了MIG焊調節參數多且相互耦合的問題。YAO等[8-10]通過對不同組工藝參數進行正交試驗，得到最佳參數組合，提出不同的焊接工藝參數，對焊接件成形和微觀組織產生不同的影響。金禮等[11]通過調制焊接電流改變熱輸入，研究熱輸入對焊接過程、接頭組織的影響，實驗結果表明，適當提高熱輸入可有效消除焊縫未熔合、氣孔等缺陷。王家威等[12]開展鋁合金熱軋板焊接工藝試驗，結果表明，采用優化后的工藝參數進行焊接，接頭表面成形良好。龍鵬等[13]通過改變占空比、焊接速度、脈沖參數，對2mm厚的鋁合金板材進行三因素三水平的正交試驗，總結一種工藝參數及優化的方法，試驗結果證明該方法有效。廖天發[14]通過調整低頻調制頻率，獲得生產效率高且美觀的魚鱗紋焊縫。LIU等[15-16]采用正交試驗的方法，通過調整焊接參數得到焊接效果較好的焊縫，并探究了頻率對雙脈沖MIG焊的焊縫影響規律。上述研究主要側重于電流、頻率對焊縫質量的影響，而占空比對焊縫質量影響的研究較少。

為更深入地了解鋁合金雙脈沖MIG焊的雙脈沖頻率匹配占空比對焊縫成形的影響，通過對焊縫宏觀形貌進行分析，探究不同頻率、占空比對焊縫接頭尺寸的影響；對比典型焊接試件采集的電信號，并分析其金相顯微組織，為鋁合金雙脈沖MIG焊焊接工藝參數的選擇提供參考。

1 鋁合金雙脈沖MIG焊工藝參數

占空比是指在一個脈沖周期內高電平所占的比例，其與雙脈沖MIG焊峰值電流工作時間呈正相關。占空比越大，峰值電流工作時間越長，產生的熱量越高，對工件發熱變形的影響越大。當頻率一定時，可通過改變占空比來調整峰值電流工作時間，從而控制焊絲的熔敷率和熱輸入。鋁合金雙脈沖MIG焊的占空比、頻率及相關參數如圖1所示。

Ipw―弱脈沖峰值電流；Ibw―弱脈沖基值電流；Ips―強脈沖峰值電流；Ibs―強脈沖基值電流；?Ib=Ibs-Ibw―強弱脈沖基值電流差；?Ip=Ips-Ipw―強弱脈沖峰值電流差。

2 試驗

工業機器人鋁合金雙脈沖MIG焊試驗平臺主要由LORCH焊機、FANUC M-10iA焊接機器人、協同控制系統、控制柜、焊接工作臺等組成，如圖2所示。

圖2 工業機器人鋁合金雙脈沖MIG焊試驗平臺

利用焊接電弧動態小波分析儀WWAI-1100采集焊接電弧的電壓、電流波形。焊接試件為長250mm、寬40 mm、厚3 mm的ER6061鋁合金板材；焊絲為1.2 mm的ER6061鋁焊絲；保護氣體為純氬，氣流量為18 L/min；焊接速度為40 cm/min；焊接電流為70 A；峰基比為50%，鋁合金雙脈沖MIG焊焊接試驗參數如表1所示。

試驗前，利用角磨機去除鋁合金表面氧化物。采用單道焊方法，選用1、2、3 Hz的低頻頻率作為參數進行對比試驗，以及30%、50%、70%的占空比逐一匹配，共進行9組試驗。試驗完成后，在焊縫上等間距取3個點，利用工業相機測量其焊縫接頭參數（熔深、熔寬、余高）。焊縫宏觀形貌及接頭參數如表2所示。根據JB/ZQ3680焊縫宏觀形貌質量標準，A、B、C、D、E等級分別表示焊接綜合效果好、較好、一般、較差、差。熔寬與余高之比（）稱為余高系數；熔寬與熔深之比（=）稱為焊縫成形系數。

表2 焊縫宏觀形貌及接頭參數一覽表

續表

3 試驗結果分析

3.1 焊縫宏觀形貌分析

由表2可知：#1、#2、#3焊縫成形有規律，#4、#5、#6次之；#7、#8、#9焊縫成形雜亂、寬窄不一、彎曲不直、中心隆起、魚鱗紋不光亮。

氣孔是鋁合金焊接中常見的缺陷，會減少焊縫的橫截面積，降低焊縫接頭的拉伸性能。氣孔形成的機理是：氧化膜黏著的水分、空氣及保護氣體中的水分與液態鋁反應或在高溫下分解產生氫氣，當液態熔池逐漸冷卻凝固時，較多的氫氣析出生成氣泡，若氣泡無法順利逸出，則以氣孔的形式處于焊縫中[17]。

對比#1、#4、#7可知，#1有少許飛濺、塌陷，氣孔數量較多；#4有少許飛濺，但氣孔數量相對較少，其余缺陷不明顯；#7飛濺較少、存在輕微咬邊，氣孔數量處于#1、#4之間，說明焊縫成形系數越大，氣泡更容易逸出，這與PAL等[18]的研究結果一致。

對比#2、#5、#8可知，#5的氣孔數量最多，#8次之，#2最少。

對比#3、#6、#9可知，#3的氣孔數量最多，#6次之，#9最少。

綜上所述，當占空比一定時，頻率為3 Hz的焊縫氣孔數量較少。原因可能是頻率增大，單位時間內完成周期性變化的次數增加，熔池振蕩的次數增多，加快了焊接過程中氣泡的逸出。

3.2 不同頻率、占空比對焊縫接頭尺寸的影響

焊縫接頭參數變化趨勢如圖3所示。

如圖3(a)所示：隨著占空比的增加，頻率為1 Hz時，熔寬、熔深均先增大后減小，在占空比為50%時達到最大值，余高先減小后增大，余高系數先增大后減小，焊縫成形系數總體增大，結合焊接效果D→A→D來看，熔寬、熔深越大，且余高系數越大，焊接效果越好；頻率為2 Hz時，熔寬、熔深、余高均先增大后減小，余高系數逐漸增大，焊縫成形系數逐漸減小，結合焊接效果B→D→E來看，焊縫成形系數越大，焊接效果越好；頻率為3 Hz時，熔寬先減小后增大，熔深、余高均逐漸增大，余高系數和焊縫成形系數均先減小后增大，結合焊接效果C→E→D來看，熔寬越大，焊縫成形系數和余高系數越大，焊接效果越好。

圖3 焊縫接頭尺寸變化趨勢圖

如圖3(b)所示：隨著頻率的增加，當占空比為30%時，熔寬變化不明顯，頻率為2 Hz時，余高達到最大值，熔深達到最小值，余高系數先減小后增大，焊縫成形系數先增大后減小，結合焊接效果D→B→C來看，焊縫成形系數越大，焊接效果越好；當占空比為50%，熔寬、熔深和余高均在頻率為2 Hz時達到最大值，余高系數逐漸減小，焊縫成形系數先增大后減小，同樣也在頻率為2 Hz時達到最大值，結合焊接效果A→D→E來看，余高系數越大，焊接效果越好；當占空比為70%時，熔寬變化不明顯，在頻率為2 Hz時熔深達到最大值，余高達到最小值，余高系數先增大后減小，焊縫成形系數先減小后增大，結合焊接效果D→E→D來看，焊縫成形系數越大，焊接效果越好。

綜上所述：1）當頻率不變時，占空比改變對熔寬、熔深、余高均有影響，余高系數和焊縫成形系數隨焊縫接頭尺寸的變化而改變，當頻率為2Hz時，熔寬、熔深隨著占空比的增大變化較明顯，說明在調節占空比為最佳數值時，匹配2Hz的頻率效果較為顯著；2）當占空比不變時，頻率改變對熔寬的影響不明顯，余高系數和焊縫成形系數隨焊縫接頭尺寸的變化而改變；當占空比為50%，頻率為2Hz時（#5），熔寬波動異常，結合焊接效果來看，說明在調節頻率為最佳數值時，匹配30%的占空比效果較為顯著。

3.3 電流波形分析

根據上述討論，分別選取效果較為顯著的（#1、#4、#5、#6、#7）雙脈沖MIG焊電流波形做進一步分析，如圖4所示。

圖4 雙脈沖MIG焊電流波形圖

由圖4可知，#1電流波形參差不齊，有瞬時毛刺出現，可能是因頻率和占空比均較小，熔滴攪拌熔池的能力不強；同時也說明瞬時電流的改變，導致電弧力改變，焊絲燃燒不穩定，產生氣孔等缺陷；#4和#7電流波形幅值變化較小，一致性和重復性較好，說明占空比為30%，頻率為2 Hz和3 Hz時，電流波形波動小，焊接質量較為穩定；#5和#6電信號不穩定，出現瞬時大電流現象，說明焊接質量不穩定，進一步驗證了#5和#6焊縫高低不平、塌陷的宏觀形貌效果，可能是頻率為2 Hz，占空比為50%和70%時，峰值電流作用時間長，導致焊縫變形。

3.3.1 ?b、?p對焊縫成形的影響

強弱脈沖基值電流可在焊接過程中保持焊絲和熔池間的導電狀態，以及持續產生穩定燃燒的電弧，同時預熱焊絲及試件，為脈沖峰值期間熔滴過渡做準備[19]。雙脈沖MIG焊焊接過程中，?b引發熔池輸入能量周期性改變，引起熔池周期性振蕩。熔池振蕩有利于氣泡的逸出和晶粒細化，提高焊縫接頭的質量[20]。?b越大，熔池振蕩的幅值越大。

當占空比一定時，隨著頻率的增加，#1的Δb為36.0 A，#7的Δb為38.7 A，熔池振蕩程度過大，二者氣孔數量相對較多；#4的Δb為12.0 A，氣孔數量相對較少。

當頻率一定時，隨著占空比的增加，#4的Δb為12.0 A，此時熔池振蕩穩定有序；#5的Δb為31.5 A，熔池振蕩過大，焊縫焊穿；#6的Δb為35.0 A，熔池振蕩進一步加大，焊穿程度更加嚴重。

由上述分析可知，Δb小于12.0 A時，焊縫成形效果較好。

?p對雙脈沖MIG焊焊縫形狀影響較大，包括魚鱗狀焊縫的深淺、清晰程度等[21]。當?p為10.5 A時（#1），魚鱗紋排列不緊密，成形不明顯；當?p為12.0A時（#4），焊縫成形較好，相比于#1，魚鱗紋形狀比較明顯，#7（?p= 11.2 A）次之。當?p從12.0 A（#4）升至14.5 A（#5）時，魚鱗紋變得清晰規律，但當?p降為9.0 A時（#6），焊縫塌陷嚴重，魚鱗紋又變得模糊。

由上述分析可知，?p約在14.5 A時，焊縫成形較好。

3.3.2 強弱電流脈沖個數之比對焊縫成形的影響

強弱電流脈沖個數之比如圖5所示。

由圖5可知：當占空比為30%時，隨著頻率的增大，強弱電流脈沖個數比也增大，#1強弱電流脈沖個數比為33∶17，熱輸入較小，熔深淺，焊縫未完全熔合，熔寬熔深比小，缺乏氣泡逸出條件，有大量氣孔生成；隨著#4強弱電流脈沖個數比增至17∶12，熱輸入也增大，焊接試件熔合情況良好；當#7強弱脈沖個數比繼續增至11∶9時，熱輸入過大，出現飛濺、咬邊等缺陷。

當頻率為2 Hz時，隨著占空比增大，強弱電流脈沖個數比也增大，#4強弱電流脈沖個數比為17∶12，熱輸入適中，焊接試件熔透情況良好。隨著強弱電流脈沖個數比增大，熱輸入也隨之增大，焊縫呈現熔穿現象，#5強弱電流脈沖個數比為39∶6時，熔穿程度較#6強弱電流脈沖個數比29∶11時更為嚴重。

圖5 強弱電流脈沖個數之比

由上述分析可知：當占空比為30%時，隨著頻率增大，強弱電流脈沖個數比越大，該比值過小或過大均對焊縫成形不利；當頻率為2Hz時，隨著占空比增大，強弱電流脈沖個數比越大，焊縫成形效果越差。

4 焊縫金相組織

熔池內部的溫差較大，且被金屬包裹著的熔池體積較小，即焊縫是產生于極大過冷度下冷卻結晶后的一種非平衡組織[22]。利用角磨機沿焊縫橫向截面切開，獲取金相試樣，進行打磨拋光，用鋁合金金屬腐蝕液腐蝕15s，采用徠卡顯微鏡觀察焊接試件的金相顯微組織。其顯微組織由α-Al基體和強化相β-Mg2Si組成。研究表明，隨著二次相越細小，分布越分散，鋁合金的強度更高[23]。#1、#4、#7的金相顯微組織如圖6所示。

圖6 #1、#4、#7的金相顯微組織

圖6中，當占空比為30%時，頻率為2 Hz的焊縫晶粒尺寸最細小，1 Hz次之，3 Hz的焊縫晶粒尺寸最粗大。頻率為2 Hz時，熔池的振蕩頻率更接近熔池的固有頻率，晶粒尺寸越小，裂紋敏感性越低，焊縫的力學性能越高。

#1的金相組織為粗大的長條形柱晶組織，呈纖維狀，具有明顯的方向性。當占空比為30%時，熱輸入較小，熔池流動性差，呈現成分分布不均的現象。焊縫趨近熔合區一側區域的Al生長為α-Al，導致液相中含Si量不高，焊縫中心位置晶粒呈現大量粗大的樹枝晶，這是由于受α-Al的生長干擾，Si發生偏析現象[24]。這種現象的形成原因是熔池與固相界面的溫度梯度進一步減小，出現很寬的過冷區，成分過冷度很大，晶粒內形成樹枝狀結晶[23]。

#4晶粒形狀大小均勻，當頻率增至2 Hz時，熱輸入加大，焊縫中心溫度升高，游離的晶體在幾個結晶方向均具備有利生長條件，沿周圍各方向均勻散熱，形成細小等軸狀樹枝晶。

#7晶粒大小不均勻，局部晶粒過大，導致焊件使用壽命降低。部分晶粒短小，部分晶粒粗大，這是由于晶粒擇優生長，其原因可能為散熱最快的方向剛好是晶粒生長的方向，晶粒生長速度快則占有較大的空間；相反，若生長方向散熱慢會導致晶粒生長慢，生長空間不足，晶粒相對短小[25-26]。

5 結論

1）固定頻率為2 Hz時調節占空比，熔寬、熔深隨占空比增大變化比較明顯，即調節占空比的最佳數值時，匹配2 Hz的頻率焊接效果較為顯著。

2）固定占空比為30%時調節頻率，焊接效果較好，即調節頻率的最佳數值時，匹配30%的占空比焊接效果較為顯著。

3）強弱脈沖基值電流差過大時，焊縫成形效果較差，容易產生氣孔、焊穿等缺陷；強弱脈沖峰值電流差過小時，焊縫成形效果較差，魚鱗紋成形模糊、不清晰。

4）當占空比一定時，強弱脈沖個數比越接近1，焊縫成形越好；當頻率一定時，強弱脈沖個數比越大，焊縫成形越差。

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Effect of Matching Process Parameters on Welding Seams of Industrial Robot Aluminum Alloy Double Pulse MIG Welding

LIN Qian1XU Min1ZHU Wenjing1LI Wenqiang1YAO Ping1, 2LIANG Daozan3

(1. Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510630, China 2. Guangzhou Institute of Technology, Guangzhou 510000, China 3. Guangdong Qizheng Technology Co., Ltd., Yangjiang 529932, China)

Objective: To improve the quality of industrial robot aluminum alloy double pulse MIG welding, explore the influence of frequency matching duty cycle on welding quality, and obtain process parameters with good welding effect. Method: Double pulse MIG welding was used to weld 3 mm thick ER6061 aluminum alloy sheet, observe the surface formation of the weld, and study and analyze the geometric shape, welding electrical signal, and metallographic structure of the welded joint. Result: Under the conditions of current 70 A, welding speed 40 cm/min, peak to base ratio 50%, frequency 2 Hz, duty cycle 30%, the surface of the weld seam is well formed, without undercut or collapse, and the electrical signal is stable, which can achieve stable welding. Conclusion: When adjusting the duty cycle at a fixed frequency of 2 Hz, the values of melt width and melt depth change significantly with the increase of the duty cycle; Adjusting the frequency with a fixed duty cycle of 30% results in better welding results. Provide reference and reference for matching process parameters of aluminum alloy welding technology and improving welding quality.

dual pulse MIG welding; frequency; duty cycle; welding joint geometry; weld forming; welding electrical signal; metallographic structure

TG444+74

A

1674-2605(2023)04-0007-09

10.3969/j.issn.1674-2605.2023.04.007

基金項目：國家自然科學基金（51805099）；廣東省教育廳普通高校重點科研項目（2020ZDZX2019、2022ZDZX3008）；省科技創新專項資金（SDZX2021020）。

林茜，女，1999年生，碩士研究生，主要研究方向：職業技術教育加工制造，工業機器人弧焊等。

許敏，女，1996年生，碩士研究生，主要研究方向：工業機器人智能制造，職業技術教育等。

朱雯靜，女，2000年生，碩士研究生，主要研究方向：工業機器人，職業技術教育裝備制造等。

李文強，男，1997年生，碩士研究生，主要研究方向：焊接機器人多源信息融合。

姚屏（通信作者），女，1978 年生，博士，教授，主要研究方向：工業機器人及智能控制等。E-mail: ypsunny@163.com

梁道贊，男，1980年生，本科，機械工程師，主要研究方向：鋁合金模架機器人焊接。

：林茜,許敏,朱雯靜,等.工業機器人鋁合金雙脈沖MIG焊工藝參數匹配對焊縫的影響[J].自動化與信息工程, 2023,44(4):33-40;45.

LIN Qian,XU Min,ZHU Wenjing, et al.Effect of matching process parameters on welding seams of industrial robot aluminum alloy double pulse MIG welding[J]. Automation & Information Engineering, 2023,44(4):33-40;45.