廣西機電職業(yè)技術(shù)學院(南寧市 530007)

葉克力

山東大學現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所(濟南市 250061)

張國凱

中車貴陽車輛有限公司(550017)

趙 文

GMAW的波形控制技術(shù)

廣西機電職業(yè)技術(shù)學院(南寧市 530007)

葉克力

山東大學現(xiàn)代焊接技術(shù)研究所(濟南市 250061)

張國凱

中車貴陽車輛有限公司(550017)

趙 文

在焊接生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的GMAW，其在飛濺、焊縫成形質(zhì)量等方面尚存在一些局限。通過控制焊接電流波形來改善GMAW的熔滴過渡，實現(xiàn)對GMAW焊接性能的擴展與質(zhì)量的提升。引入熔滴過渡“類型”的概念，對波形控制下的熔滴過渡進行了分類，并闡述了不同波形控制下熔滴過渡類型其特點與應(yīng)用。最后指出波形控制技術(shù)在拓寬GMAW的應(yīng)用上有著不可替代的作用，且尚具有較大的發(fā)展空間。

GMAW 波形控制 熔滴過渡

0 序 言

作為一種靈活方便、優(yōu)質(zhì)高效、適應(yīng)性強的焊接方法，GMAW(Gas metal arc welding) 在現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是焊接生產(chǎn)中最重要的焊接手段之一。它既可以采用氬、氦等惰性氣體焊接鋁等有色金屬材料，也可以采用活性混合氣體甚至純CO2焊接不銹鋼、高強鋼和低碳鋼等鋼鐵材料。尤其是各種不同成分與配比混合氣體的使用，并配合采用不同的熔滴過渡形式，使GMAW獲得對各種材料及其焊接要求較好的適應(yīng)性。然而，由于傳統(tǒng)GMAW自身尚存在的一些局限，熔滴過渡通常只能使用短路、細滴以及噴射/脈沖噴射幾種形式，或飛濺嚴重，或熱輸入過大，或焊縫成形欠佳，一定程度上限制了其應(yīng)用的拓展及潛力的發(fā)揮。

20世紀90年代后，隨著逆變技術(shù)尤其是數(shù)字技術(shù)在焊接上推廣應(yīng)用，對GMAW的熔滴過渡進行實時、精確控制成為可能，特別是過去很多單純由硬件尚難以實現(xiàn)的控制功能，現(xiàn)在能方便地通過軟件實現(xiàn)并且效果更好。通過波形控制和其它技術(shù)手段的輔助，先后產(chǎn)生了表面張力過渡(Surface tension transfer)、雙脈沖(Double pulse)、冷金屬過渡(Cold metal transfer)以及超脈沖(Super pulse)等一系列新的焊接電流控制波形及其熔滴過渡，克服了傳統(tǒng)GMAW存在的飛濺大、焊縫成形差等缺點，使其對各種材料及不同焊接要求具有更精準的適應(yīng)性，極大地擴展了GMAW的應(yīng)用范圍并使焊接效果更佳。波形控制技術(shù)已成為近十多年來GMAW發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。

文中就最近十多年來GMAW波形控制下熔滴過渡技術(shù)的發(fā)展作介紹和總結(jié)，以為這些新技術(shù)的應(yīng)用提供參考，并對其發(fā)展作出展望。

1 對GMAW波形控制熔滴過渡的分類

按IIW的規(guī)定，熔滴過渡分為自由過渡、搭橋過渡和渣保護過渡三種形式(mode)[1-2]。與應(yīng)用于TIG的波形控制不同，GMAW的波形控制通常會影響到熔滴過渡的行為。從筆者目前所掌握的資料，包括各種波形控制的文字、原理圖和波形圖描述，以及熔滴過渡的高速攝影視頻來看，文中所討論的熔滴過渡，從本質(zhì)特征上看，仍未超出以上三種形式的范疇。但為了與傳統(tǒng)的熔滴過渡相區(qū)別，特別是方便對那些一個電流周期內(nèi)前后兩個半周采用不同熔滴過渡形式的“組合過渡”進行描述，文中引入“熔滴過渡類型(type)”的概念，把這些經(jīng)過改進的熔滴過渡形式及其組合統(tǒng)稱為“熔滴過渡類型”。

因此，文中所討論的GMAW波形控制熔滴過渡類型，大致可以分為三類：①受控短路過渡；②受控噴射過渡；③組合過渡。

2 GMAW波形控制的類型

2.1 受控短路過渡

到目前為止，受控短路過渡對短路過程的控制分為兩條途徑：一為完全通過電流波形的調(diào)制來實現(xiàn)短路過渡受控的“純波形控制”技術(shù)；二則是在波形調(diào)制的同時，通過焊絲回抽機械動作來輔助控制的“機械力

輔助控制”受控短路過渡技術(shù)。

2.1.1 “純波形控制”的受控短路過渡

目前，僅通過電流波形的調(diào)制來實現(xiàn)短路過渡受控的“純波形控制”技術(shù)包括：Lincoln Electric的STT(Surface tension transfer)和Rapid arc 以及Rapid X，Kemppi的Wise RootTM以及WiseThin，Miller的RMDTM(Regulated metal deposition)，EWM的Cold ArcTM，MERKLE的Cold MIGTM，Migatronic的IACTM(Intelligent arc control)，TELWIN的ROOT-MIG，Panasonic的SP-MAG (Super imposition Control，主要針對MAG)以及MTS (Metal transfer stabilization control，主要針對CO2焊)，OTC的CBT (Controlled bridge transferTM)和交流短路過渡焊接法等[1-3]。此類“純波形控制”技術(shù)的共同點在于，通過對短路前后電流/電壓的快速采樣，對過渡行為進行監(jiān)測和預(yù)判，并根據(jù)監(jiān)測、預(yù)判短路過程各階段的行為，有針對性地以預(yù)設(shè)的電流波形對過渡行為進行干預(yù)，尤其是限制熔滴分離時短路電流的過度升高，達到使短路過程穩(wěn)定、柔順從而減小飛濺、降低對焊縫熱輸入等目的。

圖1為一些受控短路過渡的波形原理圖?！凹儾ㄐ慰刂啤钡氖芸囟搪愤^渡，具有以下優(yōu)點：焊接飛濺顯著減小、較好地控制熔深和熱輸入以避免燒穿、搭橋能力好且更容易操作、焊縫成形更好，尤其在薄板、打底和全位置焊接上優(yōu)勢明顯。

圖1 CBT和SP-MAG控制波形原理圖

2.1.2 機械力輔助控制的受控短路過渡

目前，通過焊絲回抽機械力輔助控制的受控短路過渡包括利Fronius的CMT(Cold metal transfer)[4-6]和SKS的MicroMIGTM[1-6]以及Panasonic的AWP (Active-Wire Process)等。此種受控短路過渡乃在波形控制的同時，將送絲運動與熔滴過渡過程進行協(xié)調(diào)控制。在熔滴與熔池短路時，通過焊絲回抽使熔滴被拉斷、過渡并形成電弧重燃的空間。由于無需通過電磁力“夾斷”熔滴，而是通過焊絲回抽“拉斷”熔滴形成電弧空間，因此其熔滴過渡發(fā)生時的電流可幾乎為零，因而熱輸入更低，易于滿足電弧釬焊的要求，同時可以做到幾乎無飛濺焊接。

上述不管是“純波形控制”還是“波形+焊絲回抽機械力輔助”控制，熔滴過渡過程均具有“短路”這一共同特征，其過渡形式本質(zhì)仍為短路過渡，只不過其過渡相對于傳統(tǒng)的短路過渡，受到有目的、更徹底的控制。但由于關(guān)注的側(cè)重點以及控制策略的差異，不同公司開發(fā)的受控短路過渡其細節(jié)表現(xiàn)會有所不同。比如Miller的RMD通過熔滴的表面張力和大顆粒熔滴重量實現(xiàn)焊絲與熔池分離，而Fronius的CMT則通過焊絲的回抽實現(xiàn)熔滴分離，因此前者的過渡頻率較后者低、顆粒更大、焊接速度稍低，但打底焊接時的熔透性更好；而后者熱輸入更小、控制更精確，幾乎無飛濺，在薄板焊接上優(yōu)勢更為明顯。圖2為RMD與CMT的波形對比[7]。

受控短路過渡是目前研發(fā)成功并投入實際應(yīng)用數(shù)量最多的波形控制熔滴過渡類型，尤以完全依靠波形調(diào)制來達到短路過渡受控的“純波形控制”者占多數(shù)。

2.2 受控噴射過渡

2.2.1 forceArc?

forceArc?為EWM研發(fā)的一項受控噴射過渡技術(shù)。其原理是基于Hans-Ulrich Pomaska提出的“能量集中的短弧噴射過渡”方法，將傳統(tǒng)噴射過渡的電弧電壓(電弧長度)稍許降低，成為一種綜合短路過渡和噴射過渡共同優(yōu)點的“超短電弧噴射過渡”。因此，其電弧能量更集中、壓力加強，電弧的方向性和穩(wěn)定性提高，從而使熔深加深，同時改善了焊縫根部和表面成形，并降低合金元素的燒損率，適用于各種材料的焊接，效率更高,變形更小。但與此同時，由于電弧長度縮短，熔滴過渡過程中難于避免出現(xiàn)短路，然而通過實時、快速、精確的電流/電壓波形控制，使偶然出現(xiàn)的短路過程為時極短且短路時的能量受到控制，不會如傳統(tǒng)短路過渡那樣形成飛濺。forceArc?雖然有短路出現(xiàn)，但并非主流，電弧形態(tài)及熔滴過渡仍保持噴射過渡的特征，因此其為“受控噴射過渡”而非“受控短路過渡”。亦因此，德國標準DIN1910-4把噴射過渡的定義由“在噴射過渡中焊絲熔滴是以細微顆粒的方式過渡到焊縫中，熔滴過渡中不會出現(xiàn)短路”變更為“熔滴過渡是以細微顆粒方式進行，熔滴過渡中幾乎不出現(xiàn)短路”。forceArc?的電流/電壓波形圖如圖3所示。

圖2 RMD與CMT的波形原理圖

圖3 foeceArc?的電流與電壓波形

2.2.2 雙脈沖

雙脈沖與傳統(tǒng)的脈沖MIG/MAG不同，其原理是在高頻脈沖焊接電流的基礎(chǔ)上，調(diào)制一個低頻脈沖，由前者控制焊絲的熔化速度，后者控制熱輸入并攪拌熔池，強、弱脈沖周期性變化。在低頻脈沖峰值(強脈沖)期間，強脈沖的峰值電流、頻率及電壓均較平均值高，能量較大，過渡的熔滴數(shù)量多；而在低頻脈沖基值(弱脈沖)期間，情形則相反。

根據(jù)送絲速度控制方式的不同，雙脈沖又可以分為等速送絲和變速送絲兩種形式。在等速送絲雙脈沖中，送絲速度等于總平均電流下對應(yīng)的熔化速度，焊絲以此恒定的速度送出。但在強脈沖期間，其平均電流大于總平均電流，因此弧長會變長。同理，在弱脈沖期間，電弧又會變短。因此，等速送絲的雙脈沖其焊接過程的弧長是周期性不斷變化的。而變速送絲雙脈沖的送絲速度則隨強/弱脈沖的交替相應(yīng)作周期性變化：強脈沖期間配以高送絲速度，弱脈沖期間則配以低送絲速度，使弧長在強、弱脈沖期間均保持恒定。因此變速送絲的雙脈沖需要把強、弱脈沖電流與送絲速度進行協(xié)同控制，其控制比等速送絲的要復(fù)雜。兩種雙脈沖其波形原理如圖4所示[8]。

圖4 雙脈沖的波形原理

目前，雙脈沖主要有KEMPPI的Double Pulse，Lincoln Electric的Pulse on Pulse以及Migatronic的Quattor Pulse，F(xiàn)ronius 的TPS TransPlus Synergic，ESAB的Aristo Pulse/Pulse，CLOOS的AluPlus和Duo Pluse，Lorch的Twin Puls以及TELWIN的PoP(Pulse on Pulse)等。由于不同公司開發(fā)的雙脈沖其針對的側(cè)重點和控制策略不同，波形會有所差異。圖5給出了一些不同雙脈沖的電流波形。

圖5 不同雙脈沖的波形原理

需要指出的是，從熔滴過渡的高速攝影視頻上看，雙脈沖其熔滴過渡本質(zhì)上仍為噴射過渡，只是由于強弱脈沖的周期性變化，其過渡行為與直流噴射過渡和傳統(tǒng)脈沖噴射過渡有差異，強、弱脈沖期間其熔滴過渡頻率是不同的，強脈沖期間頻率高，弱脈沖期間頻率低。

雙脈沖焊接由于電弧形態(tài)(包括弧長)的周期性變化，擾動熔池,細化焊縫晶粒，在焊鋁時能降低裂紋產(chǎn)生的幾率，同時能減小焊接氣孔發(fā)生率，還能無需橫擺運弧即可獲得如TIG般的魚鱗狀焊縫，容易焊接從而減少焊工所需的訓練，因此在鋁合金焊接上尤其表現(xiàn)出優(yōu)勢。事實上，幾乎所有公司的雙脈沖介紹資料，均主要針對并突出其在鋁和不銹鋼焊接上的優(yōu)勢。

除上述外，受控噴射過渡還有Lincoln Electric的AC Pulse和Precision Pulse，TELWIN的DEEP-MIG，KEMPPI的WiseFusion等。受控噴射過渡以雙脈沖最先出現(xiàn)，且當前在GMAW焊機上配用更為普遍。另

外，現(xiàn)在即使是傳統(tǒng)脈沖的GMAW，有些也會根據(jù)所焊材質(zhì)的特性對電流脈沖波形進行優(yōu)化。

2.3 組合過渡

組合過渡是指在一個電流周期內(nèi)，前后兩個半周分別采用不同熔滴過渡形式的組合之統(tǒng)稱。目前組合過渡技術(shù)主要有ESAB的Aristo Super Pulse[1]和EWM的superPuls，Panasonic的DIP脈沖控制[9]等。

超脈沖是對雙脈沖概念的深度發(fā)展，擴展了脈沖MIG/MAG在更厚/更薄不銹鋼/鋁等材料焊接上的應(yīng)用。ESAB Aristo超脈沖包括pulse/pulse(脈沖/脈沖)、spray/pulse(噴射/脈沖)以及pulse/short arc(脈沖/短路)三種組合類型，其電流波形原理如圖6所示。

圖6 ESAB Aristo超脈沖電流波形圖

脈沖/脈沖事實上即上文已述的雙脈沖，主要針對中等及小厚度材料尤其是鋁合金和不銹鋼的焊接。

噴射/脈沖組合過渡則用于厚鋁合金的全位置高效焊接。噴射過渡階段獲得高焊速和大熔深，而脈沖階段又使熱輸入降低。它可以無需橫擺立向上焊接鋁合金。

脈沖/短路組合過渡由脈沖階段獲得適當?shù)娜凵?，由短路階段獲得良好的搭橋能力。由于脈沖和短路階段的熱輸入都較低，因此總的熱輸入很低，且對接縫間隙不敏感，搭橋能力強，可以無飛濺焊接薄至0.6 mm的鋁材和很薄的不銹鋼板，還可以MIG/MAG釬焊很薄的材料，以及替代TIG用于厚板的打底焊。

另外，一些機械力輔助的受控短路過渡熱輸入低，只在小電流區(qū)間、焊接超薄板材和電弧釬焊時優(yōu)勢明顯。因此，為了拓展其應(yīng)用，F(xiàn)ronius將CMT和脈沖過渡結(jié)合，即在一個純CMT過程后，過渡方式轉(zhuǎn)為一個或幾個脈沖過渡，實現(xiàn)了CMT+Pulse的復(fù)合過渡。這種復(fù)合過渡使GMAW的熱輸入可以進行更靈活的調(diào)整，以克服純CMT熱輸入小只適于焊接薄板的局限，用于較厚板材的焊接以及需要搭橋和提高薄板焊接速度的場合(最高能達到6～7 m/min)，并能得到良好的焊縫成形。Panasonic則發(fā)展了DIP脈沖控制，它是一種“脈沖+受控短路過渡”組合的熔滴過渡技術(shù)，其短路階段本身就是受控短路而非傳統(tǒng)的短路過渡，圖7為其波形原理圖。

圖7 DIP脈沖控制電流波形圖

以文中對“組合過渡”的定義，CMT+Pulse和DIP脈沖控制顯然均屬于組合過渡。

除以上述及者外，尚有不少焊機制造商開發(fā)了其它不同命名的波形控制技術(shù)，如Lincoln Electric的Rapid Z，Power Mode和Tandem MIG，Hot Wire Tandem MIG……，Panasonic的短路初期抑制技術(shù)，HD-PULSE (Hyper DIP-Pulse Control)，Hot-Active (Hot-AWP)……，Lorch的Speed-TwinPulse，EWM的impuls和pipeSolution?+pulse，CLOOS的S-Pulse和Rapid Weld，Cold Weld，Vari Weld……，SAF·FRO的CDPTM，快速短弧，SSPTM，SMTM，KEMPPI的Wise Penetration以及Fronius的LSC(低飛濺控制)和PMC(多功能脈沖控制)等等。在近兩年的北京埃森焊接與切割展覽會上，一些國內(nèi)的焊機制造企業(yè)也開始推出自己內(nèi)含低飛濺、雙脈沖、“冷弧焊”等波形控制技術(shù)的新型數(shù)字化GMAW焊機，但似未見有自己獨立命名的波形控制技術(shù)，企業(yè)的產(chǎn)品宣傳資料亦未見就這些波形控制技術(shù)原理的具體文字說明和波形圖。

以上這些波形控制技術(shù)，還包括一些尚未列入文中的波形控制技術(shù)，筆者目前掌握的有關(guān)文獻及資料較薄，且大部分為企業(yè)自己的宣傳頁，信息有限，加之篇幅所限，在此暫不論述。但需要指出的是：①有些同一公司、同一類型的波形控制技術(shù)，在其不同年份/版本的宣傳資料上命名(包括譯名)或會有不同； ②某些波形控制下的熔滴過渡，不宜截然歸類為某一單一的類型。比如KEMPPI的Wise Fusion，操作手冊描述其過渡有短路過程，但噴射/短路過渡各占周期的比例是可調(diào)的，當它們各占50%時即為此種情況。因此，Wise Fusion亦可視為一種組合過渡類型。

3 對波形控制技術(shù)的展望

對比文中所述的各種波形控制下的熔滴過渡，可以發(fā)現(xiàn)不同命名的波形控制，其關(guān)注重點、控制策略會有所不同，或者說為了不同的目的，會側(cè)重采用不同的

控制策略，同時在波形控制的研發(fā)過程中，不斷產(chǎn)生新的應(yīng)用，比如現(xiàn)有的波形控制GMAW，已經(jīng)使焊接操作越來越“傻瓜化”，可以做到大間隙打底不橫擺單面焊雙面成形和T形接頭角焊縫不開坡口單面焊雙面成形。因此，可以預(yù)見，隨著對各種焊接條件下電弧行為研究的深入與細化，還會出現(xiàn)其它命名甚至新類型的電弧波形控制技術(shù)，并產(chǎn)生新的應(yīng)用。而隨著波形控制研究與應(yīng)用的深入，數(shù)據(jù)與經(jīng)驗的積累，將來“焊接專家系統(tǒng)”甚至可能出現(xiàn)“自適應(yīng)波形控制”，亦即焊接專家系統(tǒng)可以根據(jù)具體的焊接條件(如材質(zhì)、厚度、坡口形式和尺寸、焊接位置、焊接層/道數(shù)等等)與要求，自動生成與之最相適應(yīng)的控制波形，使每一次焊接、每一道焊縫的要求都得到最大程度的滿足，實現(xiàn)GMAW徹底的“個性化”和“精細化”，屆時焊接質(zhì)量與效率將邁上一個新的層次和高度。因此，GMAW的波形控制技術(shù)在將來當還有很大的發(fā)展空間。

4 結(jié) 論

(1)在“熔滴過渡形式(mode)”的基礎(chǔ)上引入“熔滴過渡類型(type)”的概念，目前波形控制下的熔滴過渡大致可以分為“受控短路過渡”、“受控噴射過渡”和“組合過渡”三種類型。

(2)受控短路過渡又可以分為“純波形控制”和“波形+機械力輔助控制”兩種。此類型的波形控制熔滴過渡由于較好地控制了熔滴短路時的能量，熱輸入低，焊接飛濺小甚至無飛濺，適合于薄板/打底的全位置焊接以及電弧釬焊。

(3)受控噴射過渡當前以雙脈沖為多見，由于其輸入熱量受控并周期性變化，振動熔池、細化晶粒，降低氣孔發(fā)生概率，在鋁合金的焊接上優(yōu)勢明顯，主要用于鋁合金和不銹鋼的焊接。

(4)組合過渡根據(jù)熔滴過渡形式組合的不同，具有不同的特點，其針對性和適應(yīng)性更強。

(5)波形控制熔滴過渡技術(shù)已成為近十多年來GMAW技術(shù)中發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，其使焊接操作更容易、焊接質(zhì)量更高、更穩(wěn)定，在國內(nèi)外當前的數(shù)字化GMAW焊機上已逐漸成為標配，且預(yù)計尚有較大的發(fā)展，值得研究與應(yīng)用者關(guān)注。

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2016-06-21

TG403

葉克力，1968年出生，教授,工程師。主要從事焊接高等職業(yè)教育以及焊接工藝、焊接材料的研究，已發(fā)表論文10余篇。