林 放，崔龍彬，魏仲華，陳小峰，高理文，薛家祥

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)系，廣東 江門 529000)

脈沖MIG焊工藝研究與優(yōu)化控制

林 放1，2，崔龍彬1，魏仲華1，陳小峰1，高理文1，薛家祥1

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電技術(shù)系，廣東 江門 529000)

研制了數(shù)字化脈沖MIG焊電源，研究其焊接工藝過程的優(yōu)化控制。優(yōu)化起弧方式，提高了起弧成功率，起弧點熔深效果良好；在電源輸出端采用R-C濾波電路可以濾除電壓中的高頻干擾，達(dá)到降低弧壓的目的；對熔滴過渡進(jìn)行優(yōu)化控制研究，對各種不同焊絲的一脈一滴臨界電流曲線進(jìn)行標(biāo)定；采用變頻控制方案對弧長進(jìn)行有效控制，并引入先進(jìn)先出(FIFO)的隊列結(jié)構(gòu)求弧壓平均值；通過試驗驗證了采用上述優(yōu)化控制方法，可以使得焊接過程穩(wěn)定，焊縫成形良好。

脈沖MIG焊；優(yōu)化控制；R-C濾波；變頻弧長控制；隊列結(jié)構(gòu)

0 前言

脈沖MIG焊是一種焊接質(zhì)量較高的熔化極焊接方法，它具有熔滴可控且均勻可靠、飛濺少、焊縫成形美觀等優(yōu)點。日本OTC公司的仝紅軍、上山智之對低頻調(diào)制脈沖MIG焊的工藝方法進(jìn)行了研究[1]。巴西的Mendes等人[2]對焊接機理和孔隙形成進(jìn)行了研究；國內(nèi)的北京工業(yè)大學(xué)在MIG焊的控制方法方面取得了有益的研究成果[3]。雖然研究人員不斷對焊接設(shè)備和工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，但是由于脈沖MIG焊控制過程的復(fù)雜性[4]，在脈沖MIG焊的工藝過程中仍有許多待解決的控制問題，如：充分穩(wěn)定的起弧、穩(wěn)定的焊接電流、熔滴過渡、弧壓控制等。在此對上述控制問題進(jìn)行了研究，優(yōu)化了控制參數(shù)和方法，為研制具有穩(wěn)定的高性能焊機提供了實驗基礎(chǔ)。

1 脈沖MIG焊工藝方案

1.1 起弧控制方案

起弧成功率和起弧質(zhì)量是衡量焊機性能的重要指標(biāo)，一般熔化極氣保焊起弧過程為：引弧時焊絲與工件接觸短路，接觸點電阻相對較大，正常情況下短路電流很大，接觸點流過大電流，使接觸點熔化，焊絲在接觸點附近溫度最高點爆斷起弧。對于鋁合金焊絲，相同電流產(chǎn)生的電阻熱比普通鋼焊絲小得多，故所需的引弧電流和電流上升率比普通鋼焊絲要大。為了解決這一問題，提高引弧性能，本研究采取了以下措施：

(1)可調(diào)的慢送絲速度。采用慢送絲可以增加短路接觸時間，增大短路期間產(chǎn)生的熱量，易于焊絲的爆斷起弧。

(2)增加起弧熱脈沖電流。由硬件判斷電流是否達(dá)到起弧電流設(shè)定值，當(dāng)電弧電流大于40 A時，控制程序判斷電弧已建立，立即加一大電流脈沖。因為此時電弧剛建立，金屬蒸汽少，電弧氣氛熱量不足，容易再度熄弧，特別是在電流小或緊接著的維弧期熄弧，增加電弧氣氛的熱量，使電弧穩(wěn)定。

(3)加入過渡脈沖。為了防止電弧返燒，輸出比穩(wěn)態(tài)焊接脈沖幅值小的過渡脈沖，待電弧穩(wěn)定后才輸出穩(wěn)態(tài)焊接脈沖，電流控制過程如圖1所示。

圖1 特殊起弧電流波形Fig.1 Current waveform of special arc striking

1.2 濾波降壓方案

在脈沖MIG恒電流焊接過程中，伴隨著負(fù)載和輸出電流的劇烈變化會產(chǎn)生較大的噪聲，影響系統(tǒng)的輸出[5]。在焊機控制系統(tǒng)的恒電流PID控制作用下，這種干擾主要作用于電壓，具體表現(xiàn)為：在輸出電壓上疊加相當(dāng)幅值的高頻干擾信號，使平均電壓值升高，電壓的升高必將影響輸出電流穩(wěn)定性，使得焊縫成形和焊接質(zhì)量變差；而且在焊接過程中，很容易導(dǎo)致焊絲過度返燒，燒毀導(dǎo)電嘴。為了解決這一問題，設(shè)計了濾波降壓方案，即在電源輸出端采用RC低通濾波電路，吸收高頻電壓信號，以達(dá)到降低平均電壓的效果。

1.3 熔滴過渡方案

對于脈沖MIG焊而言，熔滴過渡一般采用一脈一滴過渡方式，一脈一滴被確認(rèn)為是脈沖MIG焊的最佳熔滴過渡方案。所以，獲得一脈一滴臨界電流曲線是設(shè)計脈沖電流參數(shù)的基礎(chǔ)。

本研究采用峰值時間可調(diào)的脈沖作為試驗手段，對于某一直徑焊絲的某一個確定焊接電流，通過調(diào)節(jié)峰值時間，將出現(xiàn)跳弧的臨界時間記錄為一脈一滴臨界點。

1.4 弧壓控制方案

改變脈沖電流平均值的方法有兩種：一種是固定頻率，改變脈沖電流的寬度，即改變占空比的方法，這種方法不適于MIG焊；另一種是固定脈寬，改變脈沖頻率的方法，即脈沖頻率調(diào)整法。在脈沖MIG焊中，為了獲得穩(wěn)定的熔滴過度，必須對每一個脈沖電流的能量進(jìn)行控制。這實際上就是控制脈沖電流的峰值大小和脈沖持續(xù)時間，即脈沖的高和寬。在保持脈沖的高和寬不變的條件下，基值電流大小作為維弧之用也不改變，故要改變平均電流，只有通過改變兩個脈沖之間的間隔，也就是改變基值時間tb的方法來實現(xiàn)。

如圖2所示，弧壓調(diào)節(jié)過程為：弧壓反饋系統(tǒng)檢測到弧壓Ua(代表弧長)相對于弧壓最大給定值Umax和最小給定值Umin有某種變化后，便立即調(diào)整，使下一個脈沖電流早到或晚到，這就改變了脈沖頻率，其宏觀效果是改變焊接的平均電流，調(diào)節(jié)焊絲的熔化速度與等速送絲相匹配。所以電弧電壓反饋系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理是：以弧壓給定值Umax為參考，如果弧長變長(Ua↑)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就加大tb，降低脈沖頻率，減小平均電流，使焊絲熔化速度變慢，其結(jié)果使弧長恢復(fù)到原來值；如果弧長變短，弧壓小于Umin，則減小tb，加大平均電流，提高熔化速度，使弧長恢復(fù)到原來值。因為tb的變化必將引起P-GMAW頻率的變化，因此這種控制弧長的方法稱為變頻弧長控制，這是P-GMAW反饋控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。

圖2 變頻弧長控制Fig.2 Diagram of variable frequency arc length control

2 工藝試驗與分析

采用自行研制的數(shù)字化逆變焊接電源進(jìn)行脈沖焊試驗，利用動態(tài)小波分析儀采集并處理焊接實時電流和電壓信號。

2.1 特殊電流起弧試驗

根據(jù)特殊波形起弧控制的設(shè)計思想，進(jìn)行了起弧試驗。經(jīng)小波分析后的實測脈沖起弧電流波形如圖3所示。

圖3 實測雙脈沖焊接起弧波形Fig.3 Measured waveform of arc striking

通過試驗對比起弧效果，所設(shè)計的起弧電流波形能夠很好地完成起弧，起弧點熔深比正常起弧好。起弧對比如圖4所示。

圖4 普通起弧和特殊波形起弧效果對比Fig.4 Comparison of ordinary and optimal arc striking

2.2 濾波降壓控制試驗

通過小波分析儀的FFT功能，分析得到高頻干擾信號主要集中在10～20 MHz，因此在焊機輸出端加入電阻R＝0.15 Ω、電容C＝400 nF的低通濾波器進(jìn)行濾波處理。以脈沖焊為例，濾波處理前后的電壓波形對比如圖5所示。

從圖5可以看出，經(jīng)過RC濾波后的電壓信號干凈穩(wěn)定，沒有毛刺。進(jìn)一步對比電壓概率密度，可以看到經(jīng)過RC濾波后，電壓概率密度被壓縮在一個理想的區(qū)域內(nèi)，如圖6所示。

從工藝效果來看，濾波前弧壓偏高，電壓平均值為25.7 V，焊接過程中弧光劇烈灼眼，且伴有微微的爆鳴聲。經(jīng)過濾波降壓后，電壓穩(wěn)定適中，電壓平均值23.5V，較之前降低了2.2V。焊接過程中弧光溫和，聲音節(jié)奏穩(wěn)定。

2.3 一脈一滴試驗

通過改變脈沖峰值電流大小和峰值時間，可以獲得一脈一滴臨界電流曲線。圖7、圖8分別為碳鋼焊絲、4043鋁合金焊絲一脈一滴臨界電流曲線。

試驗證明，按照圖7和圖8所示的一脈一滴曲線，將脈沖參數(shù)取值在曲線上方有限區(qū)間內(nèi)時，可以獲得一脈一滴的熔滴過渡效果，得到優(yōu)質(zhì)的焊縫。

圖5 R-C濾波處理前后的電壓波形對比Fig.5 Comparison of voltage waveforms before and after R-C filtering

2.4 變頻弧長控制方法

為了保證弧長的穩(wěn)定性，控制頻率不能太高和太低?？刂祁l率過高會導(dǎo)致震蕩輸出，控制頻率太低又起不到控制作用。因此，在弧長控制算法中引入了隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在隊列這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，最先插入的元素將被最先刪除；反之最后插入的元素將被最后刪除，因此隊列又稱為“先進(jìn)先出”(FIFO-first in first out)的線性表。

首先創(chuàng)建一個長度為n的隊列，在對弧壓進(jìn)行A／D采樣的過程中，將每一次新的采樣值插入到隊尾，隊首存儲的采樣值將被移除，同時從隊尾數(shù)的第1個～第n-1個采樣值分別前移至第2個～第n個位置，如圖9所示。

然后再通過對n個采樣值求平均值的方法，獲得當(dāng)前弧壓的平均值。n值的確定與A／D采樣的速度有關(guān)，在本研究的試驗條件下，當(dāng)n＝10時，弧壓控制效果最佳。

圖6 RC濾波前后概率密度分布比Fig.6 Comparison of probability densities before and after R-C filtering

圖7 碳鋼焊絲一脈一滴臨界電流曲線Fig.7 Calibration of the One-Pulse-One-Droplet critical current curve for carbon steel welding wires

圖8 4043鋁合金焊絲一脈一滴臨界電流曲線Fig.8 Calibration of the One-Pulse-One-Droplet critical current curve for 4043 aluminium alloy welding wires

相比一般的數(shù)字濾波算法，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是能夠保持控制系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，即任何一次控制的產(chǎn)生，都是基于當(dāng)前采樣值和緊鄰的前面若干次采樣值的平均結(jié)果。

圖9 隊列結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Diagram of data structure of queue

3 結(jié)論

(1)設(shè)計了特殊四步起弧，能夠充分穩(wěn)定地完成起弧，起弧點熔深比普通起弧好。

(2)分析了主電路輸出端的濾波降壓方案。在電源主電路輸出端加入低通濾波電路，濾除電壓高頻干擾，明顯降低平均電壓值，有利于焊接過程的穩(wěn)定。

(3)介紹了一脈一滴的優(yōu)化控制，通過大量實驗，獲得了不同材料焊絲的一脈一滴過渡的臨界電流曲線，為脈沖PIG焊的工藝設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

(4)采用變頻弧長對弧壓進(jìn)行控制，提出用隊列采樣求弧壓平均值的方法，有效解決了弧壓控制問題。

[1]仝紅軍，上山智之.低頻調(diào)制型脈沖MIG焊接方法的工藝特點接設(shè)備原理與調(diào)試[J].焊接，2001(11)：23-25.

[2] Mendes da Silva C L.Evaluation of the thermal pulsation technique in aluminum welding[D].Brazil：Federal University of Uberlandia,2003(in Portuguese).

[3]王偉明.逆變式GMA單脈沖和雙脈沖焊機數(shù)字控制系統(tǒng)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2004.

[4] Hirata Y.Pulse arc welding[J].Journal of Japan Welding Societ，2002，71(3)：115-130.

[5]吳開源.基于DSP的弧焊逆變電源數(shù)字化控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計應(yīng)用，2002，1(11)：71-73.

Study on the optimization control of pulsed MIG welding

LIN Fang1，2，CUI Long-bin1，WEI Zhong-hua1，CHEN Xiao-feng1，GAO Li-wen1，XUE Jia-xiang1
(1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Department of Electromechanical Technology，Jiangmen Polytechnic，Jiangmen 529000，China)

Based on the designed digital pulsed MIG welding power source,the optimized control of welding process was studied.The optimization not only guaranteed an easy and successful arc starting，but also provided better arc starting penetration effect，comparing with normal arc starting method.Through experiments demonstration，the adopted R-C filter in the output terminal of the welding power source was proved to help eliminating the high-frequency interferences and decreasing the arc voltage.The optimum control of the droplet transfer was given，including the calibration of the One-Pulse-One-Droplet critical current curve for different wires.The proposed variable frequency arc length control and First Input First Output(FIFO)data structure were applied to calculate the average voltage.The result showed that stable welding and high-quality welding seams were achieved.

pulsed MIG welding；process optimization control；R-C filter；variable frequency arc length control；the data queue structure

TG444+.72

A

1001-2303(2011)10-0067-04

2011-02-24；

2011-07-17

廣國家自然科學(xué)基金資助項目(50875088)；廣東省科技攻關(guān)資助項目(2008B010400006)；番禺區(qū)攻關(guān)資助項目(2010-Z-22-1)；黃埔區(qū)攻關(guān)資助項目(1021)

林 放(1968—)，男，河南人，講師，博士，主要從事數(shù)字化電源以及鋁合金單脈沖和雙脈沖焊接機理研究工作。