王振民，賈建軍，胡健良，廖海鵬，吳健文，張芩

(1.華南理工大學,機械與汽車工程學院,廣州,510641；2.華南理工大學,計算機科學工程學院,廣州,510006)

0 序言

水下焊接技術(shù)主要包括干法、濕法以及局部干法三大類[1]，其中局部干法兼顧了干法高質(zhì)量以及濕法低成本的優(yōu)勢，尤其是局部干法水下熔化極惰性氣體保護焊(local dry underwater metal inert-gas welding，LDU-MIG)因具有生產(chǎn)效率高、可焊金屬范圍廣等特點，已成為水下焊接領(lǐng)域研究熱點[2].目前，對LDU-MIG焊接的研究主要集中于脈沖MIG焊接組織、熔滴過渡和力學性能等[3-5].在LDU-MIG焊接過程中，由于水的快速冷卻作用，會導致熔池中氣孔逸出困難，形成焊縫缺陷；焊絲熔化金屬也不易于與熔池液態(tài)金屬實現(xiàn)均勻化，影響焊縫合金元素分布的一致性；水下焊接過程具有加熱范圍小、溫度梯度大等特點，焊后工件極易存在較大殘余應力，進而引發(fā)裂紋、疲勞破壞或應力腐蝕等問題[6-7]；在水下焊接過程中會受到水汽等因素的影響，容易導致焊接過程出現(xiàn)斷弧、電弧重燃困難[8].上述復雜的水下焊接工況對LDU-MIG焊接電源的動特性和控制精度提出了很高的要求.

在陸地焊接時，有學者把高頻脈沖電流添加在自由電弧上，發(fā)現(xiàn)可以提升電弧的能量密度和穩(wěn)定性，并可利用高頻脈沖強烈的電磁攪拌作用細化焊縫晶粒[9]，進而提升合金元素均勻性.近年來，有學者提出了快頻脈沖焊接的概念[10]，已有研究發(fā)現(xiàn)，將快頻脈沖應用于脈沖MIG焊時，不僅氣孔率顯著降低，焊縫接頭力學性能也可得到改善[11-12]，因此將快頻脈沖引入水下焊接，有望提高水下焊接質(zhì)量.目前，LDU-MIG焊接電源普遍采用硅基功率器件作為開關(guān)器件，其開關(guān)性能參數(shù)已經(jīng)接近其理論極限，逆變頻率通常只能達到20～ 50 kHz，難以滿足LDU-MIG焊接工藝對焊接電源超高動特性的需求[13].此外，快頻脈沖調(diào)制過程的高、低脈沖耦合會產(chǎn)生強烈的電磁干擾，也會影響焊接電源的控制精度和可靠性.隨著第三代寬禁帶半導體的發(fā)展，SiC 功率器件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，擁有比硅功率器件更低的導通電阻和開關(guān)損耗更低、更高的工作溫度和耐壓能力以及更強的抗輻射能力，可顯著提高焊接電源的綜合性能[14]，為研制可應用于復雜水下焊接環(huán)境的快頻脈沖焊接電源提供了支撐.

基于上述思路，利用SiC 模塊(CAS120M12BM2)研制了一套可穩(wěn)定輸出0～ 30 kHz 規(guī)整快頻脈沖波形的SiC 模塊快頻脈沖焊接電源，通過全數(shù)字化的波形控制技術(shù)，可精確輸出多種類型的快頻脈沖波形.提出局部干法水下快頻脈沖MIG(local dry underwater fast-frequency pulsed MIG,LDUFFPMIG)焊接新工藝，探究快頻脈沖對304 不銹鋼LDU-MIG焊縫微觀組織的影響.

1 LDU-FFPMIG 電源總體設(shè)計

1.1 功率電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計

所研制的LDU-FFPMIG焊接電源采用輸入輸出雙并聯(lián)(IPOP)拓撲結(jié)構(gòu)[15]，如圖1 所示，由三相整流濾波電路、快頻脈沖主電路和基值電流主電路組成，兩路主電路并聯(lián)輸出至焊接負載.該結(jié)構(gòu)非常適合低壓大電流輸出場合，在大電流輸出時可將電流應力分給兩路共同承擔，對元件的通流要求更低，而且兩種主電路的開關(guān)元件可以單獨調(diào)控，每一路主電路都可以輸出幾種不同的波形，方便進行波形調(diào)制.

圖1 SiC 模塊快頻脈沖電源IPOP 拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 SiC module fast-frequency pulsed power supply IPOP topology structure

快頻脈沖主電路和基值電流主電路都包含全橋逆變電路、全波整流電路，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示.快頻脈沖主電路獨有的高頻電流切換電路和防反灌電容可以產(chǎn)生高頻周期性變化的快頻脈沖.全橋逆變電路主要由SiC 模塊M1-M4 構(gòu)成，將直流電逆變成100 kHz的交流電.Ci為逆變后隔離直流成分的隔直電容，防止直流信號的通過，全波整流采用超快恢復二極管MF300A06F2N 搭建，把高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電；L1為大電流輸出穩(wěn)流電感，可以保證輸出電流穩(wěn)定，減小輸出電流紋波；高頻電流切換電路為快頻脈沖電流產(chǎn)生的關(guān)鍵，由兩個IGBT 開關(guān)管Q1和Q2構(gòu)成，為了防止并聯(lián)IGBT開通時串聯(lián)RC 吸收造成電容放電至焊接負載，出現(xiàn)負電流，采用并聯(lián)R8和C8吸收電路可有效防止快頻脈沖電流回流.電容C9可以增加快頻電流輸出時的容抗，在一定負載電阻范圍內(nèi)起到防止基值電流主電路電流倒灌的作用，增強電源的可靠性.

圖2 SiC 模塊快頻脈沖焊接電源主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Main circuit structure of SiC module fast-frequency pulsed welding power supply

1.2 全數(shù)字化控制系統(tǒng)設(shè)計

由于輸出快頻脈沖電流時產(chǎn)生的強烈電磁干擾，對焊接電源的控制系統(tǒng)要求很高，而現(xiàn)有的焊接電源大多采用模擬控制，極易受到電磁干擾的影響而造成輸出失真，無法實現(xiàn)快頻脈沖電流的精準控制，難以保證穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量焊接，因此具有多路驅(qū)動控制、隔離保護、脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)、故障檢測等功能的全數(shù)字化快頻脈沖焊接電源控制系統(tǒng)成為迫切需要.

圖3 為快頻脈沖焊接電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以ARM 最小控制系統(tǒng)為核心，選用高性能的STM32F405RGT6 芯片，高達168 MHz的主頻可以更快速處理焊接過程的各個任務，及時對復雜的水下焊接工況做出反應，豐富的外設(shè)可以外接很多外圍控制電路，滿足電源的多功能要求.PWM 信號經(jīng)隔離后輸入相應的驅(qū)動電路，對兩路主電路中的高頻逆變、高頻切換電路和送絲機進行控制；電流電壓采樣電路的反饋電信號經(jīng)ADC 采集后進行數(shù)字濾波處理，對輸出電流電壓以及送絲速度進行實時調(diào)整；TIM 對整個焊接流程、焊接波形和采樣進行控制；GPIO 輸出端口通過外圍電路對指示燈、繼電器進行控制以及過壓過流保護等；UART 和CAN通訊實現(xiàn)整個焊接電源系統(tǒng)各個部分的信息聯(lián)通，便于對焊接過程進行實時控制.

圖3 快頻脈沖焊接電源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Control system structure of fast-frequency pulsed welding power supply

2 快頻脈沖波形調(diào)制

2.1 快頻脈沖波形形成原理

焊接電流波形決定著熔滴過渡類型、電弧特性以及焊縫成形好壞.圖4 為焊接電源能夠輸出的最復雜的快頻脈沖波形.快頻脈沖主電路的直流電經(jīng)由高頻電流切換電路形成如圖4(a)所示的0～30 kHz的快頻電流IF，基值電流主電路產(chǎn)生如圖4(b)所示的直流雙脈沖電流，兩者并聯(lián)調(diào)制后形成如圖4(c)所示的快頻雙脈沖電流波形.

圖4 快頻雙脈沖波形形成原理Fig.4 Principle of fast-frequency dual pulsed waveform formation.(a) fast-frequency pulsed main circuit waveform; (b) basic current main circuit waveform; (c) fast-frequency double pulsed current waveform

在快頻脈沖電流波形中，IF幅值頻率可調(diào)，雙脈沖基、中、峰值電流IB，IM和IP幅值可調(diào)，雙脈沖峰值占空比DP可調(diào)，中頻和低頻周期TM和TL可變，每個參數(shù)都有其作用.TM，IM和IP調(diào)到合適參數(shù)可以實現(xiàn)一個脈沖過渡一個熔滴；IB可以為最小焊接電流，可以起到維弧的作用；TL調(diào)整可以使電弧力和熱輸入實現(xiàn)周期性變化，達到攪拌熔池的目的；快頻電流IF由于電流快速變化而產(chǎn)生強烈的磁場，根據(jù)電流變化方向，電弧沿徑向受到收縮的電磁力，電弧挺度提升，防止熔融金屬下流，高頻脈沖的頻率越高，波峰與波谷切換的速度越快，電弧收縮程度越明顯，對熔池產(chǎn)生強烈的機械攪拌作用.

2.2 波形控制流程設(shè)計

針對LDU-FFPMIG焊接電源超高動特性的需求，為得到圖4 所示的規(guī)整快頻脈沖波形，設(shè)計了圖5 所示的快頻脈沖波形調(diào)制程序流程圖，整體采用定時器TIM 對各個電流的切換進行控制，波形調(diào)控開始后，初始化各個參數(shù)，直接打開高頻電流切換開關(guān)，輸出PWM 波形，快頻脈沖主電路和基值電流主電路分別以電流IF和IP輸出直流電，高頻切換開關(guān)打開后，IF變成0～ 30 kHz的高頻電流輸出，然后開始進行雙脈沖波形調(diào)制，對基值主電路的雙脈沖基中峰值電流IB，IM和IP進行調(diào)制，最后疊加輸出快頻雙脈沖波形.改變TM，IB，IM，IP參數(shù)和調(diào)控流程可以輸出不同的快頻脈沖波形，因此SiC 快頻脈沖焊接電源可以實現(xiàn)三種不同的焊接模式.

圖5 快頻脈沖波形調(diào)制程序流程圖Fig.5 Flow chart of fast-frequency pulsed waveform modulation program

(1)模式1(直流脈沖模式)：可以實現(xiàn)恒流輸出和直流脈沖輸出(包括直流單脈沖和直流雙脈沖)，可以滿足不同的局部干法水下直流MIG焊需求.

(2)模式2(直流快頻脈沖模式)：普通恒流或者單脈沖上疊加0～ 30 kHz的快頻脈沖，可以使電弧收縮，增加電弧穩(wěn)定性和熔池的攪拌作用，探究快頻脈沖對局部干法水下單脈沖MIG焊的影響.

(3)模式3(直流快頻雙脈沖模式)：包含兩種快頻雙脈沖波形，一種是在在中低頻的普通雙脈沖波形中嵌設(shè)快頻脈沖，一路主電路實現(xiàn)三種頻率的波形疊加輸出，基值電流主電路提供穩(wěn)定的引弧和維弧電流；另一種是在普通雙脈沖波形上疊加快頻脈沖，兩路疊加實現(xiàn)三種頻率波形輸出，兩種波形既可以探究快頻脈沖對局部干法水下雙脈沖MIG焊的影響，也可以探究不同波形對水下焊接工藝的影響.

3 整機性能與工藝試驗

3.1 電源外特性與效率

為了測試所研制LDU-FFPMIG焊接電源的動特性和控制精度，利用模擬負載電阻器、力科HDO4000 系列高分辨率示波器以及相應探頭和功率分析儀搭建了焊接電源測試平臺，對焊接電源的外特性和效率進行了測試.圖6 為所研制的快頻脈沖MIG焊電源的外特性曲線，在400 A 電流輸出時誤差在10 A 之內(nèi)，可實現(xiàn)恒流陡降外特性，電流輸出控制精度較高.

圖6 電源外特性曲線Fig.6 External characteristic curve of power supply

圖7 為所研制的LDU-FFPMIG焊接電源的效率測試曲線，由于采用硬開關(guān)電路加上雙路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而且快頻調(diào)制電路使用的是硅基IGBT，開關(guān)元件上的熱損耗較大，但整機最高效率仍能達90.71%，實現(xiàn)200 A 快頻脈沖電流輸出時仍能滿足焊接電源的高效率要求.

圖7 電源效率測試曲線Fig.7 Power efficiency test curve

3.2 LDU-FFPMIG焊接電源輸出波形測試

LDU-FFPMIG焊接電源能輸出的三種模式電流波形如圖8 所示.圖8(a)為在周期5 Hz 低頻脈沖中融入周期50 Hz的中頻脈沖的實際輸出雙脈沖電流波形，是模式1 中的一種波形，該波形規(guī)整，輸出電流平均值與面板設(shè)定值一致，誤差可以控制在2 A 以內(nèi)，有研究表明，SiC 模塊焊接電源動態(tài)響應速度比硅基焊接電源提升了5 倍左右[16]；圖8(b)為模式2 所能輸出的全部波形，第一個波形為快頻脈沖電流波形，去掉單脈沖后就變成了第二個恒流快頻脈沖波形，時基放大后就成為第三個波形，在快頻脈沖電流頻率為20 kHz，幅值為200 A時，電流上升時間為9.0 μs，電流下降時間為11.8 μs，仍能保證超高的動態(tài)響應速度；圖8(c)為模式3 所能輸出的兩種快頻雙脈沖電流波形.整體來看，電源輸出波形規(guī)整，具有超高的動特性和控制精度.

圖8 三種模式輸出的電流波形Fig.8 Current waveform output in three modes.(a)waveform of mode one; (b) waveform of mode two; (c) waveform of mode three

3.3 304 不銹鋼焊接工藝

試板為304 不銹鋼板，尺寸為300 mm ×100 mm × 5 mm，焊絲為直徑1.2 mm的ER308Lsi，作業(yè)水深200 mm；保護氣體和排放氣體均為99.9%純氬氣，壓力均為0.2 MPa.試驗方法為局部干法水下堆焊，快頻脈沖焊接過程平均電流為170 A，快頻脈沖頻率為20 kHz，具體參數(shù)如表1 所示.焊接前所有試板都用砂紙進行機械拋光，無水乙醇進行化學清洗，去除灰塵、油和其他雜質(zhì).焊后采用線切割機對焊縫切割取樣，拋光蝕刻后得到金相樣品，采用Leica(DMI3000M)光學顯微鏡觀察焊縫顯微組織.

表1 快頻脈沖焊接試驗對比參數(shù)Table 1 Comparison parameters of fast-frequency pulsed welding test

3.4 焊縫顯微組織特征

圖9 為304 不銹鋼堆焊試驗焊縫宏觀形貌與顯微組織.圖9(a)為表1 參數(shù)焊接得到的宏觀焊縫，焊縫表面連續(xù)性好，沒有出現(xiàn)熄弧和斷??；快頻單脈沖焊接的焊縫更直，說明快頻脈沖電弧具有更好的電弧挺度，更強的抑制高壓排水氣體干擾能力，焊接過程更為穩(wěn)定;圖9(d)為快頻單脈沖焊接焊縫的熔深和熔寬，與圖9(c)傳統(tǒng)單脈沖焊接焊縫相比，熔深提高，熔寬下降，焊縫成形系數(shù)降低30%，說明高頻電流的加入使電弧能量更為集中，對熔池產(chǎn)生更大的脈沖電弧力;圖9(b)焊縫各區(qū)的劃分，由于水下焊接過程中具有較強的冷卻效應，熱影響區(qū)(HAZ)的面積很小，所以文中重點分析WM 區(qū)的微觀結(jié)構(gòu).在水下焊接過程中，幾乎全部是奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，而鐵素體傾向于在高溫生長(接近1 300 ℃)，水下焊接過程中的冷卻速率遠高于陸地焊接過程，鐵素體在較低的溫度下不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，產(chǎn)生骨架狀δ-鐵素體[17].圖9(e)和圖9(f)為傳統(tǒng)單脈沖和快頻單脈沖焊縫WM 區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，可看出快頻脈沖焊接對晶粒有明顯的細化作用，根據(jù)相形態(tài)和相分布特征，確定輕塊狀相為奧氏體，暗條狀相為鐵素體，快頻單脈沖焊縫的板條狀δ-鐵素體含量顯著減小，而骨架狀δ-鐵素體和γ-奧氏體含量增加，進一步說明快頻脈沖電流的加入使電弧能量密度更集中，促進鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變.

圖9 304 不銹鋼堆焊實驗焊縫宏觀形貌與顯微組織Fig.9 Macro morphology and microstructure of 304 stainless steel overlay welding experiment weld seam.(a) welding seam; (b) macroscopic morphology of weld seam; (c) single pulsed; (d) fastfrequency single pulsed; (e) single pulsed (WM area); (f) fast-frequency single pulsed (WM area)

4 結(jié)論

(1)基于SiC 模塊，采用IPOP 拓撲結(jié)構(gòu)和全數(shù)字化控制方式，研制出輸出電流達400 A、快頻頻率0～ 30 kHz 可調(diào)、快頻脈沖幅值達200 A、動態(tài)響應性能好和控制精度高的LDU-FFPMIG焊接電源.

(2)研制的LDU-FFPMIG焊接電源能輸出多種不同的快頻脈沖電流波形和傳統(tǒng)脈沖電流波形，能實現(xiàn)穩(wěn)定的LDU-FFPMIG焊接，可根據(jù)實際焊接需求，調(diào)整所需參數(shù)和焊接模式，滿足不同的LDU-MIG焊接工藝需求.

(3)與傳統(tǒng)局部干法水下單脈沖MIG焊接相比，快頻單脈沖焊接時，抑制高壓排水氣體干擾能力更強、焊接過程更穩(wěn)定、電弧能量更集中，焊縫熔深提高、熔寬降低、焊縫成形系數(shù)減少30%，對WM 區(qū)的晶粒有細化作用，為LDU-MIG焊接質(zhì)量的提升提供新思路.