交流脉冲MIG焊接电弧及其控制

发布日期：2008-05-13　来源：网络

杭争翔，李利

（沈阳工业大学，沈阳110023）

摘要 在分析DCEP MIG焊及DCEN MIG焊电弧行为的基础上设计AC PMIG焊的控制模式。AC PMIG焊由EP极性及EN极性交替切换构成。EN极性时只是基值电流，电弧在焊丝端存在跳动及上爬现象。随着EN极性时间增加，焊丝端液体金属聚集、直径增加，显示出EN极性电弧对焊丝的熔化作用。控制合适的EN极性时间及电流值，不形成熔滴过渡现象，焊接过程稳定。EP极性时由基值时间及脉冲时间构成，。脉冲电流时，电弧烁亮区呈现典型的钟罩形烁亮区，脉冲电流促使熔滴柔顺过渡，能够实现一脉一滴控制效果。在一定的送丝速度及焊接速度的条件下，AC PMIG焊接铝合金的焊缝熔深随EN比率增加而减小。

关键词：交流；MIG；电弧；控制

0 前言

交流MIG焊接工艺早就被提出并且有一些研究工作，比较近期的研究工作是双凹形焊接电流控制方案，解决的主要问题是以交流电弧克服直流电弧的磁偏吹^[1][2]。

关于直流且焊丝为正（DCEP）的MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性已经有很多的研究工作。关于直流且焊丝为负（DCEN）MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性的研究工作也有一些^[3]。

DCEP 脉冲MIG（PMIG）电弧稳定，电弧力有利于熔滴过渡，电弧穿透力强，焊缝熔深大，焊接薄板时容易出现熔池下塌现象。DCEN MIG焊由于焊丝是阴极，阴极斑点在焊丝端上下跳动，电弧稳定性不好，电弧力不利于熔滴过渡，焊缝熔深浅，容易产生融合不良、凸焊道等焊接缺陷，不能稳定焊接^[3]。

交流脉冲熔化极氩弧焊（AC PMIG）电弧由EP极性及EN极性构成，可以看成是交替切换DCEP PMIG电弧及DCEN MIG电弧形成的。合理利用DCEP PMIG及DCEN MIG电弧的优势，设计AC PMIG焊接电弧的控制模式，保证焊接电弧的稳定性及熔滴过渡过程的稳定性，保证焊接过程的稳定性。切换DCEP PMIG与DCEN MIG构成的AC PMIG焊，其电弧力及电弧热的特点应该介于DCEP PMIG及DCEN MIG之间，其焊缝熔深应该介于二者之间，其最大的焊缝熔深是DCEP PMIG的焊缝熔深，这样这种焊接工艺将有利于焊接薄板。

随着时代发展，应产品轻量化要求，薄板特别是铝合金薄板被大量应用，其制造过程中有很多薄板需要电弧焊。焊接薄板时最容易出现的质量问题是熔池下塌。为此需要研究焊接熔池浅、焊接速度快的焊接工艺，稳定焊接质量的同时，提高焊接效率。

另外焊接薄板时焊接电流较小，电弧挺度弱，电弧容易受电弧磁偏吹的影响，AC PMIG交流电弧可以克服直流电弧的磁偏吹，有利于稳定焊接过程及焊接质量。

1 AC PMIG焊接电流波形控制模式

图1 AC PMIG焊接电流波形控制模式

图1是AC PMIG正常焊接时的电弧电流波形控制模式图。AC PMIG交流电弧由EP极性及EN极性构成。EP极性电弧有利于熔滴过渡，EN极性电弧不利于熔滴过渡，所以熔滴过渡过程设计在电弧EP极性时间里。射滴过渡是最好的熔滴过渡形式，为了在较宽焊接规范下实现这种熔滴过渡形式，以电弧EP极性脉冲电流控制实现。在一个EP极性时间里只有一个脉冲电流，控制脉冲电流I_p及脉冲时间T_p，实现一个脉冲过渡一个熔滴。一个交流周期时间TC内，除脉冲时间T_p之外，其余时间均为基值时间（包括EP极性基值时间T_b1、T_b2，EN极性时间T_EN。如图所示，基值时间内的电流值I_b1、I_b2、I_EN要小，至少不能产生熔滴过渡现象。图1表明，AC PMIG的脉冲频率与交流频率一致，亦称交流脉冲频率，熔滴过渡控制形式是一周一脉一滴。

AC PMIG焊的主要参数是焊接电流，其次的参数是交流电流负极性比率EN％即EN极性电流在交流周期电流中的比率。

AC PMIG焊的弧焊电源用双逆变弧焊电源，由80C196KC控制实现。

2 AC PMIG焊接电弧行为及熔滴过渡

1－Ia 140 A/div，2－Ua 32 V/div,t 50 ms/div

图2 AC PMIG焊接铝合金的焊接

电流电压波形

用自主研制的AC PMIG焊接设备进行焊接实验。图2是AC PMIG焊接铝合金时的电弧电流波形。焊接实验时，用Φ1.2 mm Al－Si5铝合金焊丝，焊接工件材质LF6，氩气流量9 l/min，焊接速度0.380 m/min。

对应图2 的AC PMIG焊接过程，进行高速摄像，摄像速度3000 幅/秒。分析高速摄像图片，研究AC PMIG焊接电弧行为及熔滴过渡特征。

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图3 AC PMIG焊电弧形态高速摄像图片

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图4 AC PMIG焊电弧EN极性时的

高速摄像图片

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图5 AC PMIG焊的连续高速摄像图片

图3是AC PMIG焊电弧形态高速摄像图片。图3（1）是EN极性时的电弧形态图片，仔细分析EN极性时的电弧形态，焊丝端侧面存在电弧而呈现亮区，焊丝端侧面的亮区并不是以焊丝轴线对称分布，亮区沿焊丝端侧面存在跳动现象。并且电弧沿焊丝端存在上爬现象，上爬高度约1～1.5倍焊丝直径。电弧EN极性时间内，焊丝作为阴极发射电子，焊丝端的阴极斑点具有破碎氧化膜的作用，焊丝端的氧化膜被破碎后，电弧难以在纯金属表明滞留，自动寻找逸出功较低的氧化物处，从而产生跳动现象。由于纯Ar保护时电弧的电场强度较低，阴极斑点容易上爬。当阴极斑点沿焊丝侧壁上爬到一定高度后，阴极斑点又跳到焊丝端部，形成电弧在焊丝端上下跳动现象以及在焊丝端周围存在跳动现象。由于电弧电流比较小，电弧亮区的电离度以及温度不是很高，电弧亮区的边界线不很明显。

图3（2）是EP极性基值电流时的电弧形态图片，焊丝端周围没有电弧亮区，电弧亮区分布在焊丝端头及焊接工件之间，电弧亮区呈细束状形态。由于电弧电流较小，电弧亮区的电离度以及温度不是很高，细束状电弧亮区的边界线不很明显。这与DCEP PMIG焊时的基值电流时的电弧形态一致。

图3（3）是电弧EP极性脉冲电流时的电弧形态图片，电弧亮度明显加强呈现钟罩形烁亮区，电弧烁亮区具有明显的边界线。这与DCEP PMIG焊时的脉冲电流时的电弧形态一致。

与DCEP PMIG焊比较，AC PMIG焊一个交流脉冲周期中EN极性电弧的变化，有利于降低电弧等离子流力及电弧对焊接熔池的作用力。

图4是AC PMIG焊接电弧在一个EN极性时间内的高速摄像图片，主要显示了EN极性时间内焊丝端液体金属的变化情况。AC PMIG焊电弧EN极性时间内，焊丝是电弧的阴极，阴极压降比阳极压降大，阴极产热大于阳极产热，虽然电弧电流较小（47 A），但是阴极产热促进了焊丝的熔化。随着基值时间的延续，焊丝熔化产生的液体金属聚集在焊丝端，焊丝端液体金属直径增加，如图4（1）～（9），显示出电弧EN极性基值电流对焊丝的熔化作用。其次，电弧EN极性时间内，熔化形成的液体金属具有左右摇摆的现象，见图4（1）～（9）。焊接实验表明，电弧EN极性时间内，形成适量的液体金属、产生幅度不大的摇摆现象不影响正常焊接过程。

由于控制合适的EN极性时的电流值，EN极性时间内没有产生熔滴过渡现象，这正是设计的AC PMIG焊控制模式的意图。若控制不适当，EN极性时产生熔滴过渡现象，将导致焊接过程不稳定。

图5是AC PMIG焊接电弧连续的18幅高速摄像图片，主要显示了EP极性脉冲电流时的电弧形态及熔滴过渡特征。电弧EP极性基值电流时间内，焊丝是阳极，阳极产热小，所以在此时间内看不出焊丝端直径有什么变化，基本维持原状；焊丝是阳极，电弧均匀分布在焊丝的下端，焊丝端的液体金属承受均匀的作用力，该液体金属没有左右摇摆的倾向，见图5（1）～（7）。在电弧EP极性脉冲电流期间，随着脉冲电流上升，弧柱区的温度以及电离度增加，弧柱区的亮度增加，出现烁亮区，见图5（8）～（15）。电弧烁亮区处于焊丝端下方，覆盖着焊丝端头熔滴的下半部。电弧烁亮区实质上是由金属蒸汽等离子体构成，该处的电流密度较大，温度较高。随着脉冲电流上升以及脉冲时间增加，电弧烁亮区扩展，电弧扩展的过程中电弧烁亮区始终保持钟罩形。在脉冲电流的下降沿，产生熔滴过渡现象，如图5（13）～（15）。熔滴脱离焊丝端的瞬时，电弧长度增加，电弧跳到新的焊丝端下方，如图5（14）。随着脉冲电流下降，电弧烁亮区减小；脉冲电流结束的时刻，电弧烁亮区消失。进入基值电流时间，电弧形态如图5（15）～（18），焊丝端下方的电弧亮区又呈现细束状。

AC PMIG焊的电弧EP极性脉冲电流是主要的熔化焊丝的热源以及过渡熔滴的力源。在2.5 ms左右的脉冲时间内，以脉冲电流产生的热量迅速熔化焊丝形成适量的液体金属，并且以脉冲电流形成的电磁收缩力促使液体金属脱离焊丝端形成熔滴并且过渡到焊接熔池中。控制合适的脉冲电流及脉冲时间，能够实现一个交流脉冲电流过渡一个熔滴的熔滴过渡形式，见图5（8）～（15）。

3 AC PMIG焊的焊缝成形

用自主研制的AC PMIG焊接设备进行焊接试验，主要研究AC PMIG焊接参数EN比率对焊缝成形的影响情况。焊接试验用焊丝材质 Al—Si5，直径 φ1.2 mm；焊接工件厚 3 mm，材质 LF6；氩气流量 9.5 l/min 。在送丝速度4.33 m/min，焊接速度0.58 m/min一定的条件下， AC PMIG焊EN比率等于0（即DCEP PMIG焊）时的焊缝成形如图6（1）；AC PMIG焊EN比率等于40％时的焊缝成形如图6（2）。后者的焊缝熔深比前者的明显减小。焊缝成形表明，在送丝速度、焊接速度一定的条件下，AC PMIG焊的焊缝熔深比DCEP PMIG焊的焊缝熔深浅，增加EN比率将减小焊缝熔深。