李宜炤　陳克選　陳彥強(qiáng)　杜茵茵

摘要：LabVIEW具有編程語(yǔ)言圖形化、開(kāi)發(fā)周期短和難度低的特點(diǎn)。在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下，結(jié)合NI公司的數(shù)據(jù)采集卡搭建了雙脈沖MIG焊系統(tǒng)，能夠采集電流、電壓和控制輸出，并實(shí)時(shí)顯示雙脈沖波形。設(shè)計(jì)了多組雙脈沖實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了雙脈沖MIG焊焊接系統(tǒng)可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于LabVIEW的雙脈沖MIG焊系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接要求，焊接過(guò)程良好，能形成良好的魚(yú)鱗紋焊縫。

關(guān)鍵詞：LabVIWE;雙脈沖MIG焊;工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)：TG444+.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）03-0032-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.06

0 前言

焊接生產(chǎn)對(duì)高效焊接質(zhì)量的要求越來(lái)越高。雙脈沖MIG焊是最近發(fā)展起來(lái)的一種新工藝，它能夠形成良好的魚(yú)鱗紋焊縫、有效減少焊接熱輸入[1]。LabVIEW是具有代表性的虛擬儀器，它通過(guò)圖形化的編程語(yǔ)言，在數(shù)據(jù)采集處理和控制方面得到廣泛應(yīng)用[2]。雙脈沖MIG焊機(jī)一般設(shè)計(jì)復(fù)雜，對(duì)電子元件要求較高。本文通過(guò)LabVIEW編程使數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬電壓信號(hào)給焊機(jī)，控制并進(jìn)行實(shí)際焊接，減少開(kāi)發(fā)周期，降低制造成本，使操作更簡(jiǎn)單，并且對(duì)焊接設(shè)備無(wú)特定要求，只需一個(gè)恒流的模擬焊接電源即可產(chǎn)生不同的焊接輸出波形，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化雙脈沖MIG焊機(jī)奠定基礎(chǔ)，為雙脈沖MIG焊機(jī)工藝參數(shù)選擇提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文采用數(shù)據(jù)采集卡+恒流焊接電源組成雙脈沖MIG焊系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由PC機(jī)、霍爾傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和相關(guān)電路組成?；魻栯娏鱾鞲衅?、霍爾電壓傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電焊機(jī)輸出電流和電壓轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)對(duì)焊接實(shí)際過(guò)程的波形采集并通過(guò)LabVIEW軟件實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，PC機(jī)通過(guò)LabVIEW開(kāi)發(fā)程序產(chǎn)生雙脈沖波形，控制焊接電源輸出[3-4]?；贚abVIEW的焊接系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 雙脈沖MIG焊波形實(shí)現(xiàn)

雙脈沖MIG焊是在脈沖MIG焊基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新型焊接方式。它在高頻脈沖基礎(chǔ)上進(jìn)行低頻調(diào)制，產(chǎn)生能量不同、交替變化的強(qiáng)弱脈沖群[5]。利用LabVIEW軟件通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出大小不同的模擬電壓控制信號(hào)給焊機(jī)的模擬接口，從而產(chǎn)生雙脈沖波形。雙脈沖MIG焊波形示意如圖2所示，參數(shù)主要有：強(qiáng)脈沖峰值電流Ips和時(shí)間tps、強(qiáng)脈沖基值電流Ibs和時(shí)間tbs、弱脈沖峰值電流Ipw和時(shí)間tpw、弱脈沖基值電流Ibw和時(shí)間tbw。圖中m為單位強(qiáng)脈沖群中強(qiáng)脈沖的個(gè)數(shù)，n為單位弱脈沖群中弱脈沖個(gè)數(shù)，ts為單位周期內(nèi)強(qiáng)脈沖群出現(xiàn)的時(shí)間，tw為單位周期內(nèi)弱脈沖群出現(xiàn)的時(shí)間。

根據(jù)雙脈沖波形特點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙脈沖波形控制操作面板如圖3所示，操作面板的電流峰值、基值均用輸入給焊機(jī)模擬接口的電壓值表示。在面板左側(cè)輸入各參數(shù)值后，在右側(cè)自動(dòng)生成模擬的雙脈沖波形。面板給定電壓值和焊機(jī)的給定電流值存在一個(gè)比例關(guān)系，由焊機(jī)電路決定，本實(shí)驗(yàn)中面板給定電壓：實(shí)際給定電流=1∶47。面板上顯示的頻率為波形A或B單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的頻率。Fs為每秒采樣率，#s為采樣數(shù)，即#s/Fs為在單位雙脈沖周期內(nèi)該脈沖群出現(xiàn)的時(shí)間。

3 雙脈沖MIG焊工藝實(shí)驗(yàn)

LabVIEW通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出操作面板所示的波形給焊機(jī)，并實(shí)時(shí)顯示焊接過(guò)程中的波形。雙脈沖MIG焊為了避免出現(xiàn)因電流過(guò)大引起燒嘴現(xiàn)象或者電流過(guò)小出現(xiàn)頂絲現(xiàn)象[6]，各參數(shù)需要匹配來(lái)穩(wěn)定焊接過(guò)程。實(shí)驗(yàn)條件如下：自行研制的基于LabVIEW的雙脈沖MIG焊系統(tǒng)、直徑1.0 mm的 ER70S-6碳鋼焊絲、板厚5 mm的Q235鋼板、純氬氣、干伸長(zhǎng)12 mm、氣流量20 L/min、單道堆焊、等速送絲。固定參數(shù)為：LabVIEW輸出的模擬電壓強(qiáng)脈沖峰值3.4 V、基值0.47 V，弱脈沖峰值為2.34 V、基值為0.47 V。

3.1 雙脈沖MIG焊強(qiáng)脈沖占空比和焊接速度對(duì)焊接過(guò)程和焊縫成形影響

保持弱脈沖占空比60%不變，強(qiáng)、弱脈沖高頻頻率均為40 Hz，單位雙脈沖周期內(nèi)強(qiáng)、弱脈沖群的時(shí)間均為0.5 s，改變強(qiáng)脈沖占空比和焊接速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3組比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)1～3電壓、電流波形及焊縫成形分別如圖4～圖6所示。由圖可知，實(shí)驗(yàn)2焊縫均勻美觀，成形好于實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)3;實(shí)驗(yàn)3焊接過(guò)程中弧長(zhǎng)變化不穩(wěn)定，聲音不及實(shí)驗(yàn)2柔和，偶有飛濺;實(shí)驗(yàn)1的焊縫成形最差，焊縫不均勻。因此，強(qiáng)脈沖峰值占空比和焊接速度在一定范圍內(nèi)直接影響了焊縫的熔寬和余高，從而影響焊縫的成形效果。強(qiáng)脈沖占空比越大，焊接速度越慢，焊縫熔寬越大，余高越高。

3.2 雙脈沖高頻頻率對(duì)焊接過(guò)程和焊縫成形的影響

保持焊接速度12.1 cm/min，強(qiáng)脈沖占空比為40%，弱脈沖占空比為60%，單位雙脈沖周期內(nèi)強(qiáng)、弱脈沖群時(shí)間均為0.5 s的情況下，改變強(qiáng)、弱高頻脈沖頻率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3組比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

實(shí)驗(yàn)1、4、5電壓、電流波形及焊縫成形分別如圖4、圖7、圖8所示。實(shí)驗(yàn)4在焊接過(guò)程中聲音柔和穩(wěn)定，幾乎無(wú)飛濺，成形良好;實(shí)驗(yàn)5在焊接中聲音變化劇烈，飛濺較多，魚(yú)鱗紋密集，焊接成形一般;實(shí)驗(yàn)1焊接過(guò)程中電弧亮度變化劇烈，聲音頻率較大，焊縫成形一般。可以看出，雙脈沖高頻時(shí)脈沖電流輸出能量、高頻頻率對(duì)電弧穩(wěn)定和焊接飛濺有較大影響。

3.3 雙脈沖低頻頻率對(duì)焊接過(guò)程和焊縫成形的影響

保持焊接速度為12.1 cm/min，強(qiáng)脈沖占空比為40%，弱脈沖占空比為60%，強(qiáng)、弱脈沖高頻頻率為40 Hz的條件下，改變單位脈沖周期內(nèi)強(qiáng)、弱脈沖群出現(xiàn)的時(shí)間即低頻頻率進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。3組比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

實(shí)驗(yàn)6～8電壓電流波形及焊縫成形分別如圖9～圖11所示?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)6焊接過(guò)程穩(wěn)定，電弧聲音柔和，幾乎無(wú)飛濺，魚(yú)鱗紋密集并且清晰明顯，焊縫寬度穩(wěn)定;在實(shí)驗(yàn)7和實(shí)驗(yàn)8焊接過(guò)程中，弧長(zhǎng)變化不穩(wěn)定，聲音雜亂并伴有少量飛濺，魚(yú)鱗紋疏松不夠緊密。在一定的焊接參數(shù)下，適當(dāng)增加低頻頻率，魚(yú)鱗紋紋寬減小、更加密集，成形效果更加理想。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)雙脈沖MIG焊原理及特點(diǎn)，在LabVIEW+恒流電源基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套基于LabVIEW的雙脈沖MIG焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作面板參數(shù)眾多，調(diào)節(jié)范圍廣，能夠滿足雙脈沖MIG焊的需求。

（2）在不同焊接參數(shù)下開(kāi)展了一系列工藝實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)焊接過(guò)程中的電壓電流波形和焊縫成形可知，焊接過(guò)程基本穩(wěn)定，說(shuō)明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙脈沖MIG焊。

（3）雙脈沖MIG焊高頻時(shí)熔化焊絲產(chǎn)生熔滴并過(guò)渡，低頻對(duì)熔池進(jìn)行攪拌，減少了焊接飛濺和氣孔發(fā)生。雙脈沖MIG焊需要合理匹配各參數(shù)才能形成較好的魚(yú)鱗紋焊縫。

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