第40卷第9期 2O10年9月 雹珲俄 Electric Welding Machine Vo1.0 No.49 Sept.2010 双脉冲M I G焊铝工艺参数设计及试验 熊丹枫,林 放,陈小峰,薛家祥 (华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640) Research and experiment on double pulsed MIG aluminum welding process parameters design XIONG Dan—feng,LIN Fang,CHEN Xiao—feng,XUE Jia—xiang (Mechanical&Automotive Engineering CoHege,South China University of Technology,Guangzhou 5 10640,China) Abstraet:Pores occur easily in the aluminum welding,but it scares appears in the double pulsed MIG welding process in which approving and qualified welding seam turn up.The most typical characteristic of the double pulsed MIG is the one pulse one droplet transfer mode is made when the frequency is high while the molten pool is controlled when the frequency is low,that is,one molten pool and the scales are made during one low frequency cycle.Due to the stirring in each low frequency cycle,the gas in the molten pool is excluded and pores are less likely happening.Many parameters need to be set up in the double pulsed MIG welding,including the peak and base eurrent and its lasting time of strong pulse as well as weak pulse.4 groups of double pulsed MIG welding including 1 2 experiments are set to find the relationship between welding conditions and parameters in the welding seam formation,no undercut with good penetration and section shape.It is proved the welding power in this experiment has good performance and can do double pulsed MIG aluminum welding wel1. Key words:double pulsed MIG;aluminum welding;strong pulse;weak pulse U 刖置 焊的研究和应用都是针对钢的现状。 随着焊接电源的快速发展和各种复杂焊接工 铝焊接过程易产生气孔,双脉冲焊接工艺能够 减小气孔发生率,获得理想的焊接质量和美观的焊 缝外观,双脉冲焊铝在国外已有应用。双脉冲焊目前 主要有两种形式:一种是以KemppiPro增强型为代 表,其送丝速度与焊接电流均按低频进行切换[31;另 外一种是以OTC为代表的产品,其送丝速度不变, 仅按低频切换熔化速度。焊接较厚铝板时,可以在第 二种情况的基础上,再配合送丝速度的改变,增加 熔敷率,就成为第一种方法。此种情况需配备性能优异 的送丝机。本研究属第二种情况,由于铝本身对扰动 的敏感性较高,同时双脉冲焊的电弧长度按低频进 艺的出现、功能的不断完善和复杂化,人们不断地 寻求快速、简便的焊接电源调节和使用方法。近10年 焊铝快速发展,出现了铝合金脉冲焊、双脉冲焊的 相关应用和研究[j-2],涌现出了一些如双脉冲焊的新 脉冲波形控制技术,从而改变了以往几乎所有脉冲 收稿日期:2010—04—14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875088);广东省 科技攻关资助项目(2oo8BO1040Ooo6),广州市番 禺区科技攻关资助项目(2009一Z一15一1) 作者简介:熊丹枫(1985--).男,湖北钟祥人,在读硕士,主要 从事数字化焊接电源及其智能控制的研究工作。 研究与设计 雹珲械 脉冲时间 和弱脉冲时间 。 第40卷 行变换,因此双脉冲焊铝对脉冲焊机的控制性能要 求更高,电弧控制性能的进一步提高对双脉冲焊焊 铝至关重要。 虽然双脉冲参数和单脉冲不一样,但也有类似 之处,强脉冲和弱脉冲时间内的脉冲群就可以看作 是单脉冲。不管是单脉冲还是双脉冲,焊接过程都需 要进行弧长控制。双脉冲弧长控制方法有两种:一种 是变速送丝控制弧长,一种是恒速送丝。由于送丝 1双脉冲MIG焊 双脉冲MIG焊是一种高性能的焊接,主要用于 铝合金的焊接。双脉冲波形就是在高频的基础上,再 对高频电流波形进行低频调制,使单位脉冲的强度 在强和弱之间低频周期性切换,得到周期性变化的 强、弱脉冲群。 系统的限制,本试验采用恒速送丝,通过合理匹配 各种参数控制稳定弧长。对于双脉冲,强脉冲的平 均电流大于弱脉冲的平均电流: > ,因此,焊接 过程中强脉冲时焊丝的熔化速度大于弱脉冲的熔 双脉冲是脉冲焊的一种延伸工艺,该工艺的特 点是脉冲频率高、能量集中,适合焊接导热快的铝 等金属。双脉冲工艺和普通脉冲焊工艺比较类似,本 试验中双脉冲焊的特性依然和普通脉冲焊一致。 双脉冲波形的最大特点是高频时实现一脉一 滴的熔滴过渡,低频时控制熔池,即一个低频周期 化速度,当强弱脉冲交替时,弧长就会周期性变化。 因此,强弱脉冲时间和峰值、基值电流的设置的目 的就是得到合适的弧长,如果强脉冲时间设置过长 或者峰值基值电流过大,焊丝回烧焊嘴,反之弱脉 冲时间太长或者基值峰值电流过小,则很容易顶丝。 为了得到合适的弧长,使焊接过程稳定,本试 形成一个熔池,从而形成鱼鳞纹。同时每个低频周期 都能对熔池产生一定的搅拌作用,促使熔池中的气 验中对强弱脉冲的峰值时间按预定数值改变,而基 值时间根据实际试验效果匹配最佳参数。而判断焊 接效果的依据就是鱼鳞纹宽度、熔高、焊缝成形等。 根据试验目的的不同设计了以下试验,通过试 体排出去,从而减小了气孔倾向。双脉冲波形控制技 术在国外已经成熟,如奥地利福尼斯的TPS系列焊 机、美国飞马特的Power master系列等焊机,都取 得了良好的工艺效果。典型的双脉冲波形如图1 所示 验探讨了焊缝成形与参数设置和焊接条件的关系。 试验基本条件:自行研制的多功能数字化双脉冲焊 接电源, 1.2 mm ER4043铝焊丝、4 nl/n厚铝板、纯 Ar、堆焊、干伸长15 mIn、气体流量30 L/min。采用焊 接动态小波分析仪采集焊接电流、电压波形。 由于参数众多,因此对不同的参数进行了分组研 究。而电流情况对焊缝影响较大,首先对强弱脉冲电流 匹配进行研究,焊接速度以能匹配得到最佳焊缝为宜。 2.1 强、弱脉冲电流相同: 图1双脉冲波形原理 、 根据前期的实验情况,选择了焊接效果较好的 I l =50 A.1 l =270 A,T ̄=90 ms,Tw=120 ms设计 双脉冲需要调节的主要参数较多,包括强脉冲 了三组实验,参数和焊接情况如表1所示。 表1强弱脉冲电流相同时参数及效果情况 峰值电流和时间、强脉冲基值电流和时间、弱脉冲 峰值电流和时间、弱脉冲基值电流和时间,只有具 备相当经验的工人才能够熟练操作。 2双脉冲焊铝试验参数设计 双脉冲焊是一种参数复杂的焊接工艺,为了获 得合适美观的焊缝,除了合理匹配送丝速度外,还需 要根据实际需要调节焊接速度。从图1可以看出,双 脉冲焊接的主要参数包括:强脉冲峰值电流,倡和时 2 3 9O 75 1.8 2.0 1.8 2.0 7.5 6.5 1.8 好 1.5 较好 图2为参数1、参数2、参数3的焊接电流、电 压波形以及焊缝成形情况。由图2可知,在强、弱脉冲 峰值电流和基值电流一样的情况下,影响焊丝熔化 间 、强脉冲基值电流 和时间 、弱脉冲峰值 电流 和时间 、弱脉冲基值电流 和时间 、强 ・速度的只有强、弱脉冲的峰值时间 、 以及强弱 脉冲时间 、 。这里将 和 设置成固定,通过改 18・ 研究与设计 熊丹枫等:双脉冲MIG焊铝工艺参数设计及试验 第9期 变焊接速度和强、弱脉冲的峰值时间,研究其对焊 601 480 缝成形的影响。 62 49 6()1 480 60 48 627 501 6o 48 <36o  ̄6 ≤ 76 24 250 240 120 O 2 601 f2 )I25 0 5486 43 1 849 l 954 2 059 2164 l2 卯勰 5 625 765 5 905 6045 6 挖50 0 2 270 6o 48 舳∞幻加fl f1 、寸Il 小波滤波后的瞬时电流、电压 48O 矧 瑚 o }晏抛 ≤ 60 24o 120 lJ 1 l言 12 2660 0 2 758 2 856 2954 3 053 3 l51 5486 5 625 5 765 5 905 6045 61 43 1 849 I 954 2059 2164 0 2 270 焊接速度 75cm/min a参数1 b参数2 图2强、弱脉冲电流相同的焊接电流电压波形以及焊缝 c参数3 由图2可知,三组参数均能获得较为理想的焊 删 伽 ∞柏 3 2 " }ip 缝,参数2比参数1焊缝鱼鳞纹稍微明显一点,参数 表2 和 、 和 有一定差值的参数及效果情况 参数焊接速度Tdms z'√ 7,删/ms /ms鱼鳞纹熔高焊接 蕊 4 5 6 75 90 75 90 120 2 90 120 2 90 200 2 2 2 2 宽度 瑚 mm效果 7.0 7.5 6.5 2.0一般 1.8较差 1.5一般 3和参数1、2没明显区别。由此可知,当强、弱脉冲峰 值电流和基值电流一样时,参数的小调整对成形影 响不大。 2.2 和 、 和 有一定差值的情况 压波形以及焊缝成形情况。从焊接过程来看,参数4、 参数5和参数6过程比较类似,过程中电弧亮度剧 烈变化,声音较大,从焊缝也可以看出,三者成形比 较相近,鱼鳞纹不明显,焊缝呈现一节一节的现状。 选择焊接效果较好的强脉冲基值电流7O A, 峰值电流280A,弱脉冲基值电流50A,峰值电流2加A 设计了三组实验,参数和焊接情况如表2所示。 图3为参数4、参数5、参数6的焊接电流、电 l()0O 一 800 J’ f婚t腿,n H 阱¨ CJlh、 n 。 由此可见,强脉冲峰值电流和弱脉冲峰值电流 笔 言 l2 ≤ 200 ‘出t∞自■‘.I 。I_■ h‘ II --I陶I 5215 1 733 1 884 2036 2188 2 340 0 4272 孵 翮目|『 4461 4649 4838 硼 5026 0 249 ≤ 言 733 )884 2036 2I88 2340 249j 豳 一一 .叠置墨 a参数4 雾 震霾童薯一b参数5 1焊00接cm速/m度in 蠹蠹 焊接速度 隧 一一 c参数6 I 80cm/min 图3焊接电流、电压波形以及焊缝 研究与设计 雹珲梭 表3高频频率改变参数及效果情况 第40卷 并不是差别越大越好,一般来说相差40 A即可得到 漂亮的鱼鳞纹。如果相差太大,则焊缝成形明显变差, 焊接过程不容易控制。 参数 焊接速汰m 7 75 8 9 9o 75 T/ms T/ms TiJms 7 嬲鱼鳞纹熔高焊接 90 120 1.8 。宽度6/埘lm hiarm效果 1.8 6.0 1.5一般 7.5 6.5 1.8较好 1.5较好 2.3改变高频频率的焊接情况 在前面焊接效果较好的强、弱脉冲电流设置即 90 120 3.0 3.0 90 200 5;0 5:0 强脉冲基值电流70 A,峰值电流280 A,弱脉冲基值 电流50A,峰值电流220A的基础上,改变 和 , 设计了三组对比实验,参数和焊接情况如表3所示。 图4为参数7、参数8、参数9的焊接电流、电 压波形以及焊缝成形情况。从焊接过程来看,参数7 的焊接过程声音频率比较高,并伴有少量飞溅,电弧 燃烧能量大,成形较好。参数8和参数9焊接过程稳 定,声音柔和,成形较好,参数9比参数8鱼鳞纹稍 稍明显。 由此可见,强脉冲峰值时间和弱脉冲峰值时间 一 小波滤波屙的瞬时电流、电 一 小顿德投府明辫盯电胤、咀攘 一__ .L …’_-■1^■‘_ .i.-.t‘ —_ 堇≤ ‘… ,t ^lti 言≤ _嘲■_■■ 。■ ■_-_ … ■_ 。。—' -__■…l I l l I lI l 焊接速度 80cm/min a参数7 b参数8 c参数9 图4改变高频频率焊接电流电压波形以及焊缝 对焊接过程的稳定性和飞溅都有比较大的影响。一 般来说,强脉冲峰值时间和弱脉冲峰值时间需要根 据板厚合理设置,为了简便可以设置成一样的值,基 图5为参数10、参数1l、参数l2的焊接电流、 电压波形以及焊缝成形情况。从焊接过程来看,参数 10的焊接过程声音比较杂,并伴有飞溅和短路,电 值时间则可根据焊接过程的情况适当调整。 弧燃烧能量不足,但成形效果还可以,鱼鳞纹粗大。 参数11焊接过程比较稳定,偶有短路和飞溅,成形 也比较好,有鱼鳞纹效果。参数12焊接过程非常平 稳,声音节奏感强,弧长变化稳定,成形漂亮,鱼鳞 纹明显流畅。 2.4改变低频频率的焊接情况 同样在前面焊接效果较好的强、弱脉冲电流设 置即强脉冲基值电流7O A,峰值电流280 A,弱脉 冲基值电流50 A,峰值电流220 A的基础上,改变 和 ,设计了三组对比实验,参数和焊接情况如 表4所示。 表4低频频率改变参数及效果情况 m 糯 ” 觅发 i0/  ̄a'n mm般米 由此可见,低频调制频率太高则焊接过程可控 性差,成形变差;太低则输入能量不足,鱼鳞纹粗 大。通常90 ms、120 ms,可以满足常规厚度铝板的 焊接要求。 lO l1 80 80 200 300 2 130 200 2 2 2 7.5 8.5 2.0 好 2.0 好 3 结论 介绍了双脉冲_]二艺及双脉冲焊的波形原理,建 立了焊接试验平台,进行了4组12个双脉冲焊铝试 l2 80 90 130 2 2 7.1 1.8很好 研究与设计 熊丹枫等:双脉冲MIG焊铝工艺参数设计及试验 第9期 ≤ 小波滤波后的瞬时电流、电压 小波滤波后的瞬时电流、电压 小波滤波后的瞬时电流、电压 ~一~^J_ ● ’、 …… k _■‘ ’…’ 一… __・--_-k-坩. ‘- … 一 1一… ≤ … ▲i ^… …一●^自“t tt监 一‘ 言≤ 一出 一● ■‘“ 一 £●一 t・^t 1P一1r■ ’…’ … F一I l I I 1l I『 l II I焊接速度 80 cm/min 圈b参数11 焊80接cm速/m度in 薹嗣c参数l2 8焊0接cm速/m度in St参数10 图5改变低频频率焊接电流、电压波形以及焊缝 验,通过对双脉冲焊铝试验的总结和研究,找出了 双脉冲各参数对焊接成形以及工艺影响的基本规 律。 较好的工艺性能,能够较好地实现双脉冲焊铝。 参考文献: 【1】Subramaniam S,White D R,Jones J E,et o1.Analysis of arc voltage,current and light signals in pulsed gas metal arc welding of aluminum.Science and Technology of Welding (11电流和电弧形态决定着电弧力,决定焊缝和 熔池形状。而双脉冲电流低频周期性的变化达到了搅 拌熔池的目的,细化了晶粒,形成鱼鳞状焊缝外观。 and Joining,1998,3(6】:304—3l1. f2)双脉冲焊铝参数调节比较容易,宽范围的参 数依然能够实现很好的焊接效果,但要遵循基值能 量和峰值能量合理配合的要求,使弧长稳定。 f3)调节参数合适直至焊缝无咬边,熔透较好, 焊缝形状比较好,进一步说明该试验所用电源具有 【2] 国旭明,钱百年.高强Al-Cu合金脉冲MIG焊工艺研究[RI. 熔接新技术及应用研讨会,2003:254—258. 【3】Pasi Hihunen,于克勤.KemppiPro增强型双脉冲与铝焊 接【A].熔接新技术及应用研讨会论文集【C】.[出版地不详】 2003:159-162. 垦 … 21