李 朋，張漢博，楊曉杰

(山東奧太電氣有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 前言

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，MAG焊接在工程機(jī)械、機(jī)車制造、船舶制造等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，特別是碳鋼、不銹鋼的焊接。

MAG焊飛濺大，焊接速度慢，電弧易發(fā)生偏移出現(xiàn)焊縫咬邊等缺陷。另外，較高的熱輸入量對(duì)母材(特別是不銹鋼)的燒損也比較嚴(yán)重。隨著人力成本的不斷提高以及金屬加工行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，MAG焊的這些缺點(diǎn)也日益凸顯。

為了消除MAG焊缺點(diǎn)的不利影響，焊接工作者做了大量的研究改進(jìn)，但主要集中在焊接材料、保護(hù)氣體、送絲裝置等方面。例如使用表面活化焊材、更高比例的惰性保護(hù)氣體，增加了焊接成本;又如在焊槍噴嘴處增添焊絲加熱裝置，進(jìn)行熱絲焊接，增加了設(shè)備的復(fù)雜程度和維護(hù)難度。奧太公司利用自己的研發(fā)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從電源入手解決了該問(wèn)題。

1 奧太強(qiáng)力電弧原理及特點(diǎn)［1－2］

小電流短路過(guò)渡時(shí)大部分飛濺都是在短路和燃弧交替切換的瞬間發(fā)生的。普通MAG燃弧瞬間電流值高，出現(xiàn)保險(xiǎn)絲效應(yīng)產(chǎn)生大量飛濺，燃弧初始電流不同，造成電弧長(zhǎng)度差異和熱輸入不一致。

“強(qiáng)力電弧”通過(guò)對(duì)短路和燃弧的分別控制解決以上問(wèn)題(見(jiàn)圖1)。短路發(fā)生后保持低電流狀態(tài)讓焊絲和熔池能夠充分短路，然后提升電流促進(jìn)熔滴過(guò)渡。當(dāng)熔滴發(fā)生縮頸時(shí)，控制電流急劇下降防止出現(xiàn)飛濺。電弧燃起后增大電流，快速形成熔滴，這樣不僅保證了弧長(zhǎng)的一致，還提高了熔滴過(guò)渡頻率。

圖1 普通MAG(左)與“強(qiáng)力電弧”(右)短路過(guò)渡波形對(duì)比

大電流MAG焊接電弧之所以穩(wěn)定性不好，是因?yàn)槠浠￠L(zhǎng)較長(zhǎng)、電弧電壓較高(見(jiàn)圖2a)。將電弧電壓降低，弧長(zhǎng)縮短，電弧穩(wěn)定性和挺度有所提高。但這樣就會(huì)有短路發(fā)生，造成較大飛濺，同時(shí)影響電弧及熔池的穩(wěn)定。

為了避免短路造成的不利影響，整個(gè)焊接系統(tǒng)的響應(yīng)速度大幅提高。在短路發(fā)生時(shí)快速地控制住焊接電流的過(guò)高增長(zhǎng)，短路完成后迅速恢復(fù)電弧長(zhǎng)度，提高了電弧的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在保證電弧穩(wěn)定的同時(shí)，通過(guò)控制電源輸出能量來(lái)增加電弧的等離子壓力，使電弧有較高的挺度和較好的指向性。

從高速攝像機(jī)所拍攝的電弧圖像(見(jiàn)圖2b)可以看出，短電弧在等離子壓力下形成熔池，熔滴尺寸均勻，且形成速度快。

圖2 電弧形態(tài)對(duì)比

與常規(guī)電弧相比，強(qiáng)力電弧焊接具有以下優(yōu)點(diǎn):能量集中，電弧方向性穩(wěn)定，有利于窄間隙焊縫、長(zhǎng)干伸長(zhǎng)的焊接;電弧熱影響區(qū)小，熱輸入量小，工件變形小;焊接飛濺少，焊縫表面光滑，減少焊后清理工序;減小焊縫坡口角度，減少焊道數(shù)量，降低成本，縮短工時(shí)。

2 奧太強(qiáng)力電弧焊機(jī)NBC－500Ⅳ

強(qiáng)力電弧焊接對(duì)焊機(jī)有更高的要求，如果使用傳統(tǒng)的焊接電源，不可能讓焊接電流在短時(shí)間有較快變化。奧太在逆變電源中采用先進(jìn)靈敏的新一代超高速雙CPU控制系統(tǒng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)采集到電壓、電流的改變，實(shí)現(xiàn)輸出的高速動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這樣就可以快速調(diào)節(jié)焊接過(guò)程中電流的上升和下降，保證電弧的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

NBC－500Ⅳ型數(shù)字逆變焊機(jī)(見(jiàn)圖3)，主電路采用高頻率的IGBT逆變形式，配合奧太特有的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。電弧短路發(fā)生時(shí)間僅為十幾微秒，傳統(tǒng)的單片機(jī)或DSC已經(jīng)難以滿足要求，因此主控板采用處理速度高達(dá)600 MHz的DSP和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的ARM組成雙CPU控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧狀態(tài)并進(jìn)行有效的精細(xì)控制。

圖3 奧太NBC－500Ⅳ焊機(jī)

控制系統(tǒng)可在幾個(gè)微秒內(nèi)檢測(cè)到電弧狀態(tài)并進(jìn)行精細(xì)波形輸出，控制短路電流和燃弧能量，在降低焊接飛濺的同時(shí)提高焊接速度。通過(guò)控制算法基本上實(shí)現(xiàn)了100%的縮頸檢測(cè)。相同條件下的焊接中，強(qiáng)力電弧將飛濺量降低至原來(lái)的10% ～20%，焊接速度提升到120%～150%。

在 φ1.2碳鋼焊絲，φ(Ar)80%+φ(CO2)20%保護(hù)氣體，流量15 L/min，焊接電流130 A的條件下，分別采用強(qiáng)力電弧和普通MAG焊在5 mm厚的低碳鋼板上堆焊。普通MAG焊接如圖4a所示，強(qiáng)力電弧焊接如圖4b所示。通過(guò)對(duì)比可知，強(qiáng)力電弧焊接過(guò)程中基本無(wú)飛濺。

圖4 焊接現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比

較常規(guī)焊機(jī)而言，NBC－500Ⅳ具有以下特點(diǎn):軟開(kāi)關(guān)逆變技術(shù)，可靠性高，節(jié)能省電;雙CPU高速控制系統(tǒng)，熔滴過(guò)渡控制的更加精細(xì)，有效降低MAG焊接中產(chǎn)生的飛濺;電弧方向性穩(wěn)定，能量集中，有效加深焊接熔深;焊接速度快，工件變形小，節(jié)省焊材和工時(shí)，提高焊接效率;寬架構(gòu)送絲機(jī)及雙驅(qū)精密送絲裝置，送絲穩(wěn)定，送絲機(jī)可靠性高;配有奧太群控系統(tǒng)，方便集中管理;豐富的對(duì)外通訊接口，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人、專機(jī)的無(wú)縫集成。

2.1 T型角焊縫熔深對(duì)比試驗(yàn)

分別使用強(qiáng)力電弧和普通MAG焊接角焊縫試件，使用相同的焊接參數(shù)(電流320 A，電壓34 V，行走速度400 mm/min)，焊接試件切片如圖5所示。試板為兩塊20 mm×60 mm×200 mm材料16Mn碳鋼組成T型接頭。

由圖5可知，T型焊接接頭使用強(qiáng)力電弧焊接有效熔深可達(dá)5 mm，而一般的MAG有效熔深約2 mm。可見(jiàn)，相同條件下，對(duì)于T型焊接接頭使用強(qiáng)力電弧可增加有效熔深達(dá)到提升焊接質(zhì)量效果，且焊縫成形好無(wú)咬邊現(xiàn)象，焊接飛濺小。

2.2 單邊坡口焊縫熔透對(duì)比試驗(yàn)

圖5 焊接試件切片

分別使用強(qiáng)力電弧和普通MAG焊接坡口焊縫試板，使用相同的焊接參數(shù)(電流320 A，電壓34 V，行走速度400 mm/min)如圖6所示。試板為兩塊20 mm×60 mm×200 mm材料16Mn碳鋼，其中一塊單邊15°×45°焊接坡口，組成L型對(duì)接接頭。

圖6 L型對(duì)接接頭切片

由圖6的試件切片可知，單邊坡口對(duì)接焊接接頭使用強(qiáng)力電弧焊接有效熔深可穿透5 mm鈍邊，單面焊接雙面成形效果。而一般的MAG焊有效熔深為1 mm?？梢?jiàn)，相同條件下，對(duì)于坡口使用強(qiáng)力電弧焊接可達(dá)到全熔透的焊接效果，焊接質(zhì)量比普通MAG顯著提高。

3 結(jié)論

奧太NBC－500Ⅳ強(qiáng)力電弧焊機(jī)可以有效降低MAG焊接飛濺、增大熔深、提高焊接速度，非常適用于機(jī)械工程、鋼結(jié)構(gòu)、造船業(yè)、高壓容器以及設(shè)備建造。

［1］張光先.逆變焊機(jī)控制原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］殷樹(shù)言.電焊機(jī)的數(shù)字化［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2008.