劉忠杰，惠良哲生，波多曉，仝紅軍，上山智之

（1.日本OTC公司，日本神戶6580033；2.OTC機電（青島）有限公司，山東青島266500）

數(shù)控逆變焊機電流波形控制技術(shù)

劉忠杰1，惠良哲生1，波多曉1，仝紅軍2，上山智之1

（1.日本OTC公司，日本神戶6580033；2.OTC機電（青島）有限公司，山東青島266500）

針對采用大規(guī)模集成電路LSI芯片的新型逆變氣體保護焊機及其輸出電流波形控制技術(shù)進行討論。根據(jù)選用的保護氣體種類，優(yōu)化直流焊接模式的電流輸出，采用“改進型冷橋過渡CBT-EX”的熔滴過渡控制方式對短路過渡進行處理，大大降低了飛濺的發(fā)生量。實現(xiàn)了從薄板焊接的低電流領(lǐng)域到厚板焊接的高電流領(lǐng)域的高品質(zhì)焊接。根據(jù)焊接母材材質(zhì)，優(yōu)化脈沖波形，獲得“一脈一滴”理想的熔滴過渡形式，減少了飛濺量，提高了焊接速度。

弧焊電源；冷橋過渡；短路過渡；脈沖波形

0　前言

數(shù)字控制逆變焊機的優(yōu)點在于通過對逆變器的高速實時控制，實現(xiàn)對電弧的高速、高精度控制，并可減小焊機體積、減輕質(zhì)量[1]。研究人員已經(jīng)掌握了電弧陰極斑點的變化規(guī)律和穩(wěn)定電弧的要素，通過控制焊機輸出波形，極大提高電弧的穩(wěn)定性[2-4]。近年，隨著數(shù)字模擬技術(shù)和電弧觀察技術(shù)的進步，使復雜的電弧現(xiàn)象呈現(xiàn)在研究人員面前，加深了對電弧現(xiàn)象的理解。在焊接學術(shù)研究方面，已經(jīng)制定了到2020年[5]甚至更長的時間表，屆時可以在理論指導下對電流波形進行控制，從而實現(xiàn)對焊接方法和焊接性能的控制和提高。將來對焊機的要求更高，其處理能力遠超現(xiàn)在的數(shù)字控制逆變焊機，同時這也是高性能焊接工藝的要求。在此介紹新開發(fā)的焊接控制芯片和最新波形控制技術(shù)，以及采用這些新技術(shù)的焊機所具有的焊接性能。

1　焊接電源控制芯片的進步

目前一般采用通用芯片作為焊機的中央控制器。通用芯片的優(yōu)點是具有普遍適用性，易于選購。但是通用芯片是為廣泛用戶設(shè)計的，一些功能對于焊機是無用的，成本也不是最低的，因此OTC公司開發(fā)了針對焊接控制的專用超大規(guī)模集成電路（VLSI：Very large-scale integrated circuits）[6]。此專用芯片的開發(fā)成功，也使數(shù)控焊機的發(fā)展進入到第四代。第一代數(shù)控焊機始于1996年，采用16位中央處理器芯片，演算周期為100 μs；第二代數(shù)控焊機始于2001年，采用32位DSP芯片，演算周期縮短為25 μs；第三代數(shù)控焊機始于2008年，是第二代與第四代的過渡時期，采用現(xiàn)場可編程陣列FPGA芯片，演算周期縮短到1 μs；最近開發(fā)的第四代焊機采用適合于焊接控制的焊機專用芯片Welbee（WELding Best Electric Engine），演算周期更縮短到納秒級，演算能力大大提高，再與先進的電流波形控制技術(shù)相結(jié)合，使焊機對電弧的控制能力得到了極大的提高。

采用Welbee焊機專用芯片和新電流波形控制的第四代焊機具有以下特點：

（1）在直流CO2/MAG焊模式中，“改進型冷橋過渡CBT-EX”的熔滴過渡控制方法擴大了低飛濺焊接電流范圍。

（2）在直流CO2/MAG焊模式中，根據(jù)焊接電纜的長度、焊接母材的薄厚以及對焊接速度的要求，設(shè)計了相應(yīng)的電流控制波形。

（3）在脈沖焊接模式中，根據(jù)焊接母材的材質(zhì)、熔化特性，設(shè)計了相應(yīng)的脈沖波形，得到了“一脈一滴”理想的熔滴過渡。同時，降低了碳鋼焊接時對保護氣體的要求，提高了不銹鋼焊接時的電弧穩(wěn)定性，減少了鋁及鋁合金焊接時的小飛濺。

2　直流焊接電流波形控制技術(shù)

2.1直流CO2/MAG焊接標準模式CBTEX控制

冷橋過渡CBT技術(shù)已經(jīng)在焊接中得到應(yīng)用[7-8]。CBT技術(shù)可以減少200 A以下的短路過渡電流域的飛濺量。隨著高效、節(jié)能、環(huán)保意識的增強，人們對高焊速、大電流、低飛濺的要求越來越高，為了滿足這種需求，利用可以實現(xiàn)高速控制的Welbee芯片改進了CBT技術(shù)，形成了CTB-EX新技術(shù)。

CBT技術(shù)是在短路過渡接近尾聲、重新引弧之前，迅速減小電流，防止熔滴與熔池短路瞬間產(chǎn)生飛濺。如圖1a所示，從短路過渡到引弧后，電流上升、熔化焊絲、在焊絲頂端形成熔滴雛形、熔滴長大、短路的模式循環(huán)往復進行焊接。CBT技術(shù)在電弧期間，按照電弧長度變化，自然調(diào)節(jié)電流，焊絲熔化速度與普通的短路過渡的熔化速度無異，因此CBT技術(shù)的適用電流范圍與短路過渡的電流范圍相同。為擴大CBT技術(shù)的適用范圍，熔化更多焊絲，將其適用電流范圍擴大到大熔滴過渡的電流區(qū)域，改進后的CBT稱為改進型冷橋過渡CBT-EX技術(shù)，簡稱CBT-EX。

圖1　CBT與CBT-EX的電流波形示意

CBT-EX包括兩種波形，分別為CBT-EX MAG焊和CBT-EX CO2焊。CBT-EXMAG焊如圖1b所示，從短路到電弧的過渡完成后，設(shè)定了一個小脈沖，該小脈沖可以增加焊絲的熔化速度，從而增大焊接電流，使CBT的應(yīng)用電流范圍擴大到大熔滴過渡的區(qū)域。在易產(chǎn)生飛濺的大熔滴過渡電流范圍內(nèi)，實現(xiàn)低飛濺焊接。

CO2焊使用的CO2保護氣體在焊接過程中伴隨吸熱分解，對電弧有冷卻作用，使其收縮。收縮后的電弧對焊絲頂端的熔滴具有較大的反作用力，出現(xiàn)大熔滴，當大熔滴向熔池過渡時產(chǎn)生大量飛濺。山崎等人已經(jīng)對CO2焊進行了研究，降低了飛濺并應(yīng)用于厚板的焊接[9]。CBT-EX CO2焊的主要目的是將CO2焊應(yīng)用于高速焊接上，降低電壓、減少熱輸入、增加短路的發(fā)生頻率是提高焊接速度的一種手段。促進焊絲頂端熔滴的穩(wěn)定形成和成長是實現(xiàn)高速、低飛濺焊接的另一種手段。如圖1c所示，為降低收縮電弧對熔滴形成的影響，在完成短路過渡重新起弧后，設(shè)計了三個連續(xù)的三角形脈沖，以促進熔滴的初步形成（虛線圈部分），之后伴隨著熔滴的長大，根據(jù)電弧長度，自動調(diào)整電流的大?。ㄌ摼€部分），從而獲得穩(wěn)定的短路過渡，減少飛濺發(fā)生量。

CBT-EX控制和普通MAG、CO2焊時的飛濺產(chǎn)生量及焊接過程中的現(xiàn)場照片如圖2所示。在從100～250A的電流范圍內(nèi)，利用CBT-EX控制的CO2焊和MAG焊的飛濺發(fā)生量都有不同程度的減少。尤其是在電流為250 A的CO2焊的情況下，利用CBTEX控制技術(shù)后，飛濺發(fā)生量從一般焊接的2.5 g/min降低到0.45 g/min，減少了2.0 g/min。在同樣為250 A的MAG焊的情況下，利用CBT-EX控制技術(shù)將飛濺發(fā)生量從一般焊接的1.25 g/min降低到0.25 g/min，減少了1.0 g/min。兩種焊接方法在250 A電流的情況下，飛濺量都減少了80％。

圖2　普通CO2、MAG焊與CBT-EX控制CO2、MAG焊的比較

2.2直流CO2/MAG焊接的應(yīng)用模式——根據(jù)焊接環(huán)境調(diào)整波形

上節(jié)介紹的直流焊接波形對減少焊接飛濺、增加電弧的穩(wěn)定性有很好的效果，能夠滿足對焊接效果要求較高的工件焊接。但是，控制電路復雜，焊接電源成本及焊接成本也相對較高。在實際焊接生產(chǎn)過程中，焊接工件不同，對焊接效果和焊接成本的要求也不同。在滿足焊接質(zhì)量要求的情況下，為實現(xiàn)高速焊接、厚板焊接、使用延長電纜的焊接等，對焊接波形進行了優(yōu)化調(diào)整。在新一代的焊接波形設(shè)計中，預(yù)先設(shè)定了4種直流焊接模式，包括標準模式、高速焊接模式、厚板焊接模式、延長焊接電纜模式。

圖3a為適合于一般直流焊接的電流波形示意圖。它的特點是嚴格控制了短路期間的電流上升速度和最大電流，保證熔滴穩(wěn)定地向熔池過渡。當完成熔滴過渡，重新起弧的瞬間，將電流減小到預(yù)先設(shè)定的電流值，減少飛濺。完成起弧、電弧穩(wěn)定后，迅速增加電流。一方面可以彌補起弧期間電流下降引起的能量損失，還能提高焊絲的熔化速度，促進焊絲頂端熔滴的形成，穩(wěn)定熔池。隨后，熔滴以穩(wěn)定的速度增長，電弧長度變短，電流也隨之降低，進入下一次短路過渡。

圖3　各種直流焊接模式的電流波形示意

圖3b為高速焊接模式電流波形示意。與一般直流模式相比，高速焊接的熔滴過渡過程中縮頸期間較長，容易出現(xiàn)由縮頸、大電流引起的飛濺。為此，降低了短路期間的最大電流值，保證熔滴順利過渡，保持熔池平穩(wěn)。完成熔滴過渡，重新起弧后，迅速提升電流，然后根據(jù)電弧電壓精密地控制電流，保證熔滴穩(wěn)定增長、熔池平穩(wěn)。同時，為減少電流波動，保持熔池穩(wěn)定，選擇合適的焊接電源的外部靜特性和電子電感的隨電流波動的變化特性系數(shù)。

圖3c為實現(xiàn)厚板焊接而設(shè)計的電流波形示意。厚板焊接時，往往采用擺動焊槍的焊接方法，導電嘴與工件之間的距離波動較大，這就要求焊接電流穩(wěn)定，并需要保證焊縫熔深。因此，在這個模式中采用了近似于定電流模式的電源外部靜特性。為保證熔池的平穩(wěn)，又由于焊接電流較高，短路期間的最高電流與平均電流的差比較小。

圖3d為最簡單的電流控制方法，是在焊接電纜長度超過30 m的情況下使用的電流波形。在這種模式下，不考慮使用電源內(nèi)部的電感和電阻，因為在焊接電纜較長的情況下，外部的干擾因素會增加，如果由于外部干擾引起焊機對焊接過程的誤判斷，如短路誤判等，將引起電流較大的波動，造成焊接缺陷。因此，使用延長電纜時，焊接電流波形是根據(jù)電源與工件之間，以及電弧的負載而自行調(diào)整的。因此，這種模式在以上四種電流控制方法中，抗干擾的能力最強。

2.3新型直流CO2/MAG電流控制的焊接效果

利用CBT-EX控制的MAG焊與CO2焊的焊接樣本如圖4所示，焊接電流200 A和230 A。眾所周知，200～250 A是焊接熔滴過渡的大熔滴過渡電流區(qū)域，非常容易產(chǎn)生飛濺。圖中CBT-EX MAG焊為1.6 mm鋼板的搭接焊，焊接速度達200 cm/min，且焊件表面沒有飛濺；從橫斷面可以看到，焊趾角度較大，沒有咬邊、焊瘤等缺陷。可見CBT-EX MAG具有良好的低飛濺和高速焊接性能。

圖4　CBT-EX MAG焊與CO2焊的焊接樣本

圖4的CBT-EX CO2焊接樣本所用母材為普碳鋼板，上板厚度1.6 mm，下板厚度3.2 mm，板間間隙1.0 mm，焊接電流為230 A。在普通CO2焊接熔滴過渡很不穩(wěn)定、極易產(chǎn)生飛濺的電流域，CBT-EX焊實現(xiàn)了低飛濺，且焊縫表面光滑，沒有焊瘤、咬邊、氣孔等缺陷。展示了CBT-EX的焊接穩(wěn)定性。

CO2高速焊模式與基本模式的焊縫照片對比如圖5所示。焊接母材為普碳鋼板，上板厚度1.6 mm，下板厚度3.2 m，接頭形式為搭接角焊縫。焊接電流330 A，電弧電壓23.0 V，焊接速度230 cm/min。圖5a為采用高速模式的焊縫照片，在焊接工件表面沒有飛濺，從焊縫的局部擴大圖也沒有發(fā)現(xiàn)咬邊、焊瘤等缺陷。而采用基本模式的圖5b，則在焊縫的兩側(cè)有明顯的焊瘤，且焊縫寬度不均勻，焊趾呈波浪狀。

圖5　CO2焊高速模式與基本模式的焊接效果比較

3　直流脈沖焊接電流波形控制技術(shù)

在直流脈沖焊接中，一般采用傳統(tǒng)的矩形波作為標準波形。矩形波的特點是控制簡單，對中央處理器（CPU）的要求不高，但有時得不到理想的熔滴過渡形式和焊接效果。采用處理能力強大的Welbee專用焊接芯片，可以實現(xiàn)更為復雜的波形控制，實現(xiàn)理想的熔滴過渡。脈沖波形一般包括：基值電流，脈沖峰值電流；基值時間，脈沖峰值時間；基值電流與脈沖峰值電流之間的過渡時間。

3.1與母材材質(zhì)對應(yīng)的脈沖波形

碳素鋼焊接過程中，一般采用Ar與CO2混合氣體作為保護氣，理想的混合比例為8∶2，常用的焊機都是針對這樣的氣體配合比例，在焊機內(nèi)部預(yù)設(shè)了脈沖電流參數(shù)。理想的脈沖焊接熔滴過渡形式為一個脈沖后有一個熔滴進入熔池，即“一脈一滴”的過渡方式。在實際焊接過程中，碳素鋼焊接的Ar、CO2混合氣往往偏離理想的配比。由于混合氣中含有CO2，若其含量超過20％，尤其是超過25％后，如2.1節(jié)所述焊接過程中吸熱、分解，電弧收縮，電弧對熔滴的反作用力增大，阻礙了熔滴向熔池過渡，影響了電弧的穩(wěn)定性。

矩形波的脈沖電流峰值如圖6a中虛線所示，為定值，即電磁收縮力也是一定的，當保護氣中CO2的含量增加時，不能產(chǎn)生足夠的電磁收縮力，促進熔滴的形成，最終破壞了“一脈一滴”的過渡方式。而新型兩段峰值波形，從脈沖電流基值向脈沖電流峰值過渡后，出現(xiàn)第一個脈沖電流峰值，其數(shù)值大于矩形波的脈沖電流峰值，提供足夠的電磁收縮力，促進縮頸的出現(xiàn)，形成熔滴雛形。其后的第二個脈沖電流峰值低于矩形波的脈沖電流峰值，此階段促進焊絲繼續(xù)熔化和熔滴長大，為熔滴過渡做準備。從脈沖電流峰值向脈沖電流基值過渡期間，采用緩降的電流控制方式，保證了在此期間有足夠的能量促使熔滴與焊絲分離，完成熔滴過渡。同時，采用了基于脈沖外特性的弧長控制技術(shù)[10]，充分發(fā)揮兩段峰值波形的優(yōu)點?；谝陨系拿}沖電流控制方法，即使混合保護氣中CO2的含量超過25％，仍然可以實現(xiàn)“一脈一滴”的熔滴過渡方式。

圖6　各種材料的脈沖焊接波形示意

圖6b為不銹鋼焊接電流波形示意圖。虛線波形部分為傳統(tǒng)的矩形波，實線波形為新開發(fā)的脈沖峰值緩升波形。不銹鋼含有鉻、鎳等合金，熔化后粘度大，焊接過程中熔滴與焊絲分離困難。新開發(fā)的波形首先縮短脈沖電流基值向脈沖電流峰值的過渡時間，增強電弧的集中性，更快的使焊絲頂端熔化。在脈沖電流峰值期間，脈沖電流峰值逐漸增大，電磁收縮力也逐漸增強，促進縮頸的出現(xiàn)與熔滴的形成。從脈沖電流峰值向脈沖電流基值過渡期間，采用與碳素鋼相同的波形，確保熔滴順利地向熔池過渡，實現(xiàn)“一脈一滴”的過渡方式。

圖6c為鋁和鋁合金焊接電流波形。鋁及鋁合金的熔點較低，熔化后粘度低，流動性好，采用矩形波焊接時，容易出現(xiàn)小飛濺。新波形采用了緩升，即脈沖電流基值向脈沖電流峰值過渡時，不是矩形波的直線上升方式，而是緩升的方式，使焊絲頂端的金屬緩慢熔化，防止了由于電流快速增大、焊絲熔化速度過快引起的小飛濺。同時，隨著電流的增加，電磁收縮力逐漸增大，促進了熔滴的形成。電流值達到脈沖電流峰值后，隨即以緩慢減小的方式向脈沖電流基值過渡，調(diào)整熔滴的大小，在較低電流的情況下完成熔滴與焊絲的分離，防止小飛濺的產(chǎn)生，實現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴過渡。

3.2適合于母材材質(zhì)脈沖波形的焊接效果

采用矩形波脈沖和兩段峰值脈沖焊接飛濺量的比較曲線如圖7所示。焊接母材為2.3 mm的普碳鋼板。接頭形式為平板堆焊。焊接電流150 A，電弧電壓24.0 V，焊接速度100 cm/min。保護氣成分分別為CO2含量20％、22％、24％、26％、28％、30％的Ar混合氣。在CO2含量低于22％的情況下，采用矩形波脈沖和兩段峰值脈沖對飛濺量基本沒有影響。當CO2含量超過22％以后，采用矩形波脈沖的飛濺量隨著CO2含量的增加而急劇增加，從0.1 g/ min迅速增大到0.9 g/min，飛濺增加量為0.8 g/ min。尤其是在CO2含量從22％增加到28％時，飛濺量增加迅速。CO2含量從28％增加到30％時，飛濺量沒有明顯的變化。然而相同條件下，采用兩段峰值脈沖時，飛濺增加量卻只有約0.2 g/min。可見，兩段峰值脈沖對保護氣成分變化的適應(yīng)性好于矩形波脈沖。

圖7　碳鋼焊接用兩段峰值與矩形脈沖焊飛濺量的比較

焊接電流100 A、200 A和300 A時，采用矩形波脈沖與斜面波脈沖飛濺量的比較如圖8所示。根據(jù)焊接電流分別選用2.0mm、3.0mm和4.0mm的不銹鋼板作為母材。接頭形式為平板堆焊。采用斜面波脈沖波形后，飛濺量分別比采用矩形波脈沖時減少了0.16 g/min、0.20 g/min和0.22 g/min，百分比約為30％。

焊接電流100 A、200 A時，采用矩形波與緩升緩降脈沖波形飛濺量的比較如圖9所示。根據(jù)焊接電流分別選用了板厚為2.0 mm和3.0 mm硬質(zhì)鋁鎂合金作為母材。接頭形式為平板堆焊。100 A和200 A焊接時，通過采用緩升緩降波形，將飛濺量分別從矩形波焊接時的0.32 g/min和0.44 g/min減少為0.26 g/min和0.32 g/min，減少幅度約為20％。

圖8　不銹鋼焊接用斜面波與矩形波脈沖焊接飛濺量比較

圖9　用緩升緩降與矩形波脈沖焊接飛濺量的比較

4　結(jié)論

采用了Welbee焊接芯片和新電流波形控制的第四代焊機的各種焊接模式，焊接效果都得到了不同程度的提高。在直流焊接方面，采用CBT-EX技術(shù)，實現(xiàn)了MAG焊和CO2焊在大熔滴過渡電流域的低飛濺，同時實裝了適合于不同焊接環(huán)境的四種焊接模式，并取得了較好的效果。在脈沖焊接方面，設(shè)計了適合于焊接母材材質(zhì)的脈沖波形，增大MAG保護氣的適用范圍，即使CO2含量超過25％，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)較低飛濺的焊接。對不銹鋼的焊接可以減少大約30％的飛濺量。對鋁及其合金的焊接也可以減少約20％的飛濺量。

[1]T.Ueyama.Progress and Future of Arc welding Equipment [J].Journal of the Japan Welding Society，2009，78（8）：693-708.

[2]T.Uezono.Application to MIG welding using welding power source equipped with digital filtering process[J].Welding

Page 65

Welding current waveform control technology on digital inverter controlled welding power source

LIU Zhongjie1，Tetsuo Era1，Satoru Hata1，TONG Hongjun2，Tomoyuki Ueyama1
（1.DAIHEN Corporation，Kobe 6580033，Japan；2.OTC Industrial(Qingdao)Co.，Ltd.，Qingdao 266555，China）

Discussed the new type inverter gas shielded welding machine using large scale integrated circuit LSI chip and its output current waveform control technology.According to the types of the protective gas，optimized the output current of dc welding mode，using"improved cold bridge transfer CBT-EX"drop transition control method to deal with short circuit transition，greatly reduced the spatter.Realized high quality welding from the thin plate welding in low current to thick plate welding in high current.According to the parent metal material，optimized the pulse waveform，got the"one droplet per pulse"ideal form of melting drop transition，to reduce the spatter，improve the welding speed.

arc welding power source；cold bridge transfer；short-circuit transfer；pulse waveform

TG434.1

A

1001－2303（2016）03－0048-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.10

2015－09－29

劉忠杰（1969—），男，河北人，博士，研究員，主要從事激光-GMA復合焊、等離子-GMA復合焊、等離子焊以及GMA焊接新工藝的研究工作。