張玉印，黃鵬飛，閆恒宇，張華棟

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

低能量焊接工藝控制參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響

張玉印，黃鵬飛，閆恒宇，張華棟

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

低能量過(guò)渡焊接技術(shù)（Low Energy Transfer Welding Technology，簡(jiǎn)稱LET）是一種新型焊接方法，它采用推拉送絲的方式完成熔滴過(guò)渡，焊接過(guò)程無(wú)飛濺，并能有效降低焊接熱輸入。LET焊接系統(tǒng)通過(guò)電流輸出和焊絲運(yùn)動(dòng)相互匹配，兩者協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定焊接。由于熔滴尺寸直接影響熔敷速度，通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，深入研究燃弧峰值電流Iap、保持時(shí)間Tap、送絲速度vz2、焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T1、焊絲回抽速度vf1及焊絲回抽延時(shí)時(shí)間T3等控制參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著Iap、Tap、vf1、T1和T3的增大，熔滴尺寸增大，而vz2對(duì)熔滴尺寸的影響不明顯，適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)能夠有效控制熔滴尺寸。本研究為深入了解LET焊接工藝過(guò)程，有效調(diào)節(jié)焊接熔敷速度奠定了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

推拉送絲；熔滴過(guò)渡；控制參數(shù)；熔滴尺寸

0 前言

近年來(lái)，輕量化薄板材料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、造船、集裝箱等工業(yè)領(lǐng)域，薄板的焊接自然成為一個(gè)要解決的重要問(wèn)題[1]。薄板焊接對(duì)熱輸入比較敏感，焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)材料的熱變形和燒穿現(xiàn)象[2]。傳統(tǒng)電弧焊接方法熱輸入較高，無(wú)法滿足薄板焊接的需求，實(shí)踐表明表面張力過(guò)渡焊接技術(shù)（STT）能夠有效解決這一問(wèn)題[3]。但是，STT焊接技術(shù)在燃弧階段要有一個(gè)較高的電流值來(lái)保證熔池的良好流動(dòng)性，電流較低會(huì)降低焊絲熔化速度、延長(zhǎng)熔滴過(guò)渡時(shí)間，加之STT焊接技術(shù)配合的是等速送絲，可能導(dǎo)致固體短路的出現(xiàn)，并且較高的燃弧電流值會(huì)增加對(duì)母材的熱輸入。LET焊接技術(shù)是一種新型焊接方法，它采用推拉送絲的方式完成熔滴短路過(guò)渡，能有效降低焊接過(guò)程的熱輸入。在焊接過(guò)程中發(fā)生短路時(shí)，送絲電機(jī)反轉(zhuǎn)，依靠焊絲回抽的機(jī)械力完成熔滴過(guò)渡。在焊絲回抽過(guò)程中，控制電源輸出較小的焊接電流，從而降低了焊接熱輸入和減少了焊接飛濺，使焊接過(guò)程對(duì)母材熱輸入較小，工件不易變形，LET焊接適用于對(duì)熱輸入比較敏感的薄板焊接。由于熔滴尺寸直接影響焊絲的熔化速度和焊縫成形，為了更好地研究LET焊接工藝過(guò)程，在此通過(guò)焊接試驗(yàn)深入研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)過(guò)渡熔滴尺寸的影響規(guī)律。

1 LET焊接系統(tǒng)控制方案

如圖1所示，LET焊接系統(tǒng)的熔滴過(guò)渡方式是通過(guò)機(jī)械力回抽焊絲實(shí)現(xiàn)的短路過(guò)渡形式。焊接過(guò)程的控制方案采用電源輸出電流與焊絲運(yùn)動(dòng)協(xié)同配合的方式，通過(guò)波形控制使輸出電流配合焊絲的運(yùn)動(dòng)，保證焊接過(guò)程穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到降低焊接過(guò)程的熱輸入，確保焊接過(guò)程幾乎無(wú)飛濺和良好焊縫成形的效果[4]。

圖1 焊絲運(yùn)動(dòng)示意Fig.1 Wire movement schematic

LET焊接系統(tǒng)控制方案示意如圖2所示，圖2a為焊接過(guò)程中的電壓波形，圖2b為燃弧和短路狀態(tài)對(duì)應(yīng)的焊絲運(yùn)動(dòng)狀況，圖2c為對(duì)應(yīng)的輸出電流波形。當(dāng)電弧電壓U大于某臨界值U0時(shí)判斷電弧處于燃弧狀態(tài)，當(dāng)U＜U0時(shí)為短路狀態(tài)。v代表送絲速度，當(dāng)v＞0時(shí)為焊絲送進(jìn)狀態(tài)，v＜0時(shí)為焊絲回抽狀態(tài)。當(dāng)判斷為燃弧狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)并給定燃弧峰值電流Iap，經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間T1后伺服電機(jī)以速度vz2正轉(zhuǎn)即焊絲送進(jìn)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到保持時(shí)間Tap時(shí)，焊接過(guò)程進(jìn)入燃弧后期，此時(shí)輸出較小的燃弧后期電流Iab；當(dāng)檢測(cè)到短路狀態(tài)時(shí)，為了避免小橋爆斷產(chǎn)生飛濺，此時(shí)要輸出小電流Id并且開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到T3時(shí)，伺服電機(jī)以速度vf1反轉(zhuǎn)回抽焊絲，進(jìn)而熔滴被機(jī)械力拉斷完成短路過(guò)渡；當(dāng)時(shí)間為T(mén)d時(shí)，焊接過(guò)程進(jìn)入短路后期，此時(shí)焊接主電源需要輸出較大電流Ih，此電流既有利于下一周期電弧的再引燃，也能促進(jìn)縮頸的產(chǎn)生，進(jìn)而降低焊接周期時(shí)間，提高焊接效率，當(dāng)焊接過(guò)程進(jìn)入下一個(gè)燃弧狀態(tài)，標(biāo)志著焊接過(guò)程一個(gè)周期的完成[5]。

該焊接系統(tǒng)短路過(guò)渡時(shí)依靠機(jī)械拉力拉斷熔滴液橋，并且短路時(shí)電流值較小，從而實(shí)現(xiàn)低能量焊接。該系統(tǒng)短路過(guò)渡均勻，送絲系統(tǒng)與焊接電源配合良好，整個(gè)焊接過(guò)程十分穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有飛濺，焊縫均勻美觀。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過(guò)LabVIEW軟件對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，可以得到熔滴過(guò)渡周期時(shí)間，即可得到熔滴過(guò)渡頻率。焊接過(guò)程中通過(guò)統(tǒng)計(jì)焊接時(shí)間和焊絲熔化長(zhǎng)度，得到焊絲熔化速度，進(jìn)而得到單周期焊絲熔化長(zhǎng)度，用此數(shù)據(jù)來(lái)表示熔滴的相對(duì)大小。

LET焊接工藝試驗(yàn)所選材料和選用參數(shù)如表1、表2所示。

表1 LET焊接試驗(yàn)所用材料Table 1 LET welding experiment materials used

表2 LET焊接工藝試驗(yàn)選用參數(shù)大小Table 2 The size of LET welding process parameters

在LET焊接系統(tǒng)控制方案中，燃弧后期電流值Iab選為50 A，此值較小，主要作用是提供維持電弧加熱焊絲基本能量，較小的電流值還能降低焊接過(guò)程中的熱輸入。短路前期電流值Id為40 A，其主要作用是避免較大電流流過(guò)短路前期小橋的情況出現(xiàn)，從而減少飛濺。保持時(shí)間Td為1 ms，短路后期電流值Ih為90 A，此值較大，主要作用是提供能夠順利再引燃電弧的基值電流，并促進(jìn)縮頸的形成，提高焊接效率。

在LET焊接系統(tǒng)控制方案中，首先進(jìn)行初步的工藝試驗(yàn)，找到穩(wěn)定工作區(qū)間，然后分別在固定送絲參數(shù)的條件下改變電源輸出參數(shù)，或者在固定電源輸出參數(shù)的條件下改變送絲控制參數(shù)，研究不同條件下各參數(shù)匹配對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律。

3 控制參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律

焊絲的每次前進(jìn)與回抽量之差所對(duì)應(yīng)的焊絲體積為每次焊絲過(guò)渡量，也就是過(guò)渡金屬的體積。焊接過(guò)程每個(gè)周期的能量輸出應(yīng)該正好能夠熔化這部分金屬體積，這就要求對(duì)電流、電壓波形進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之匹配焊絲運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定焊接的目的。

3.1 Iap和Tap對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律

控制方案中的Iap為燃弧峰值電流，它能夠保證電弧順利的再引燃并促進(jìn)熔化焊絲形成熔滴以及加熱母材，燃弧峰值電流的保持時(shí)間為T(mén)ap。Iap和Tap是熔化焊絲及向母材輸入能量的最主要參數(shù)，其作用類似于傳統(tǒng)脈沖MIG焊中的峰值電流Ip和峰值時(shí)間Tp。

焊接系統(tǒng)采用波形控制方案，燃弧初期電流值Iap選擇150 A、200 A、250 A和300 A四個(gè)值，保持時(shí)間Tap選擇1.5 ms、1.8 ms、2.1 ms、2.4 ms、2.7 ms和3.0 ms六個(gè)值。在其他控制參數(shù)不變的情況下，研究Iap和Tap的各種匹配方式對(duì)熔滴尺寸的影響，如圖3所示。

圖3 不同Iap和Tap匹配下熔滴尺寸Fig.3 Droplet size when Iapand Taptake different values

此時(shí)，LET焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)為：vz2= 450 r/min，T1=1 ms，vf1=400 r/min；T3=0 ms。

燃弧期間通過(guò)調(diào)整燃弧脈沖電流Iap和持續(xù)時(shí)間Tap以調(diào)整脈沖能量的大小，從而調(diào)節(jié)電弧長(zhǎng)度，這種方法靈活簡(jiǎn)單，精確性較好。每個(gè)周期內(nèi)焊絲熔化長(zhǎng)度代表了過(guò)渡熔滴尺寸的大小，在不同燃弧峰值電流Iap和保持時(shí)間Tap的匹配下，熔滴尺寸也各不相同。由圖3可知，隨著燃弧脈沖電流Iap和保持時(shí)間Tap的增大，過(guò)渡熔滴尺寸變大。這是因?yàn)殡S著Iap和Tap的增加，會(huì)產(chǎn)生更多的燃弧峰值能量，這是加熱熔池的主要能量來(lái)源，對(duì)熔化焊絲形成熔滴也起著非常重要的作用。更多的燃弧峰值能量用來(lái)加熱熔池和熔化焊絲形成熔滴，使得短路階段焊絲端頭的熔滴向熔池內(nèi)更充分的鋪展，也使過(guò)渡熔滴尺寸變大。

3.2 vf1和T3對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律

vf1為焊絲回抽速度，T3為焊絲回抽延時(shí)時(shí)間，其表征意義是當(dāng)發(fā)生短路時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T3后，焊絲以速度vf1開(kāi)始回抽。

LET焊接系統(tǒng)采用波形控制方案，焊絲回抽速度vf1選擇300 r/min、350 r/min、400 r/min、450 r/min和500 r/min五個(gè)值，焊絲回抽延時(shí)時(shí)間T3選擇0 ms、0.3 ms、0.6 ms和0.9 ms四個(gè)值。在其他參數(shù)值保持不變的前提下，使vf1和T3相互匹配來(lái)研究vf1和T3對(duì)熔滴尺寸的影響，如圖4所示。

此時(shí)，LET焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)為：Iap= 250 A，Tap=2.8ms，vz2=450r/min，T1=1 ms。

圖4 不同vf1和T3匹配下熔滴尺寸圖4 Droplet size when vf1and T3take different values

不同焊絲回抽速度vf1和T3匹配下每個(gè)周期內(nèi)焊絲熔化長(zhǎng)度代表了過(guò)渡熔滴尺寸的大小。由圖4可知，隨著回抽延時(shí)時(shí)間T3的增大，過(guò)渡熔滴尺寸變大。這是因?yàn)殡S著T3的增大，焊絲送進(jìn)時(shí)間加大，導(dǎo)致焊絲每次前進(jìn)與回抽量之差（即步距S）增大，T3越大，熔滴向熔池過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)，使熔滴在熔池內(nèi)更充分的鋪展，最終增大焊絲端頭的熔滴尺寸。結(jié)果表明，在焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間一定時(shí)，隨著焊絲回抽速度的增大，單周期焊絲熔化長(zhǎng)度逐漸增大。這是由于vf1的增大減小了短路時(shí)間，加之慣性的存在，焊絲回抽速度越大，導(dǎo)致燃弧時(shí)間變長(zhǎng)，而燃弧期間的功率大于短路期間，所以會(huì)產(chǎn)生更多的能量加熱焊絲和母材，最終導(dǎo)致熔滴尺寸變大。

3.3 vz2和T1對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律

vz2為焊絲送進(jìn)速度，T1為焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間，其表征意義是當(dāng)判斷為燃弧狀態(tài)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T1后，焊絲以速度vz2開(kāi)始送進(jìn)。

試驗(yàn)方案中焊絲送進(jìn)速度vz2選擇400 r/min、450 r/min、500 r/min和550 r/min四個(gè)值，焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T1選擇0 ms、1 ms、2 ms、3 ms和4 ms五個(gè)值。其他參數(shù)值保持不變，vz2和T1的各值相互匹配。不同vz2和T1匹配下的熔滴尺寸如圖5所示。

圖5 不同vz2和T1匹配下熔滴尺寸圖5 Droplet size when vz2and T1take different values

此時(shí)，LET焊接系統(tǒng)所選的其他工藝參數(shù)為：Iap=250 A，Tap=2.5 ms，vf1=400 r/min，T3=0 ms。

不同送進(jìn)速度vz2和T1匹配下每個(gè)周期內(nèi)的焊絲熔化長(zhǎng)度代表了過(guò)渡熔滴尺寸的大小。由圖5可知，隨著焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T1的增大，過(guò)渡熔滴尺寸變大。這是因?yàn)門(mén)1代表著當(dāng)電弧電壓大于燃弧電壓時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T1后，焊絲開(kāi)始送進(jìn)，即隨著焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T1的增大，燃弧時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生更多的能量來(lái)加熱焊絲和熔池，使得焊絲熔敷速度增大。在焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T1一定時(shí)，隨著焊絲送進(jìn)速度的增大，單周期焊絲熔化長(zhǎng)度變化不大。這是因?yàn)樗徒z速度的變化會(huì)影響燃弧時(shí)間，而燃弧能量的變化取決于燃弧后期短路電流的作用。由于短路電流幅值較小，對(duì)能量影響不大，所以焊絲送進(jìn)速度在一定范圍內(nèi)對(duì)熔滴過(guò)渡尺寸的影響不明顯。

4 結(jié)論

LET焊接系統(tǒng)能夠使焊接電流輸出和焊絲送進(jìn)、回抽運(yùn)動(dòng)配合良好，焊接工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍廣，焊接能量低，熔滴過(guò)渡平穩(wěn)，無(wú)飛濺，焊縫美觀，焊接效果良好。通過(guò)LET焊接工藝試驗(yàn)得到控制參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律如下：

（1）隨著Iap和Tap的增大，過(guò)渡熔滴尺寸變大。這是由于Iap和Tap的增大會(huì)產(chǎn)生更多的燃弧峰值能量用于加熱熔池和熔化焊絲形成熔滴，最終導(dǎo)致熔滴尺寸變大。

（2）隨著回抽延時(shí)時(shí)間T3和回抽速度vf1的增大，過(guò)渡熔滴尺寸變大。T3的增大使短路時(shí)間增加，從而導(dǎo)致熔滴過(guò)渡頻率減小，最終使焊絲端頭的熔滴尺寸變大；由于vf1的增大，減小了短路時(shí)間，增大了燃弧時(shí)間，而燃弧期間的功率大于短路期間，所以會(huì)產(chǎn)生更多的能量加熱焊絲和母材，導(dǎo)致熔滴尺寸變大。

（3）隨著焊絲送進(jìn)延遲時(shí)間T1的增大，過(guò)渡熔滴尺寸變大。這是因?yàn)殡S著T1的延遲，燃弧時(shí)間增加，會(huì)產(chǎn)生更多的能量來(lái)加熱焊絲和熔池，并且減小了熔滴過(guò)渡頻率，從而使焊絲端頭的熔滴尺寸變大；由于燃弧后期電流較小，送絲送進(jìn)速度對(duì)燃弧能量的影響也很小，vz2在一定范圍內(nèi)對(duì)熔滴過(guò)渡尺寸的影響不明顯。

[1]張撼鵬，殷樹(shù)言.新型低能量輸入電弧焊接系統(tǒng)及其過(guò)程控制研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2007.

[2]閻紅，孫冬梅，楊立軍.薄板熔化焊方法的發(fā)展現(xiàn)狀[J].焊接技術(shù)，2000，29（4）：10-11.

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[4]黃鵬飛，馮偉，路永全.推拉送絲焊接設(shè)備及工藝[J].電焊機(jī)，2014，44（9）：32-35.

[5]路永全，黃鵬飛.新型低能量焊接設(shè)備及工藝研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

Effect of control parameters of LET welding process on the droplet size

ZHANG Yuyin，HUANG Pengfei，YAN Hengyu，ZHANG Huadong
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Low energy transfer welding technology is a new method of welding，It completes droplet transition by push-pull wire feeding，there is no splash during the welding process，and it can reduce the heat input effectively.The current output and the wire movement match each in order to achieve a stable welding process.Due to the size of the drop size affect the welding deposition rate directly，so this article studied the influence of the peak arc current Iap，retention time Tap，wire feeding speed Vz2，the delay time of welding wire feeding T1，wire withdrawing speed Vf1and the delay time of withdrawing welding wire T3by LET welding system.The Results prove that with the Iap，Tap，Vf1，T1and T3increasing the droplet diameter increases，with the increasing of Vz2，the droplet diameters have a little change.so It is possible to adjust the welding parameters appropriately to control the size of the droplet size. This work laid a good experimental basis for understanding of LET welding process and the regulation of weld deposition rate.

push-pull wire；droplet transfer；control parameters；droplet size

TG44

A

1001－2303（2016）12－0084-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.18

獻(xiàn)

張玉印，黃鵬飛，閆恒宇，等.低能量焊接工藝控制參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響[J].電焊機(jī)，2016，46（12）：84-87.

2016-03-07

張玉?。?988—），男，山東濟(jì)寧人，在讀碩士，主要從事現(xiàn)代焊接技術(shù)與自動(dòng)化裝備的研究。