脉冲MIG焊参数一元化试验研究

蒋成燕，陈克选，陈 涛，李述辉

(兰州理工大学，甘肃 兰州 730050）

0 前言

脉冲 MIG 焊（Pulsed Metal Inert Gas Welding）具有在较大电流调节范围内均能够实现射滴过渡、轴向性好、适用于全位置焊接、热输入量方便可调以及焊接质量好等优点，但是其参数调节过于复杂。而一元化调节是通过单旋钮来改变送丝速度，自动协调匹配焊接电流和焊接电压等焊接参数的关系。建立一元化的数据库可以简化脉冲MIG电源的参数调节，使焊机的操作简单，降低对焊工经验的依赖。

国内有学者进行了铝硅合金材料双脉冲焊接一元化调节专家数据库的试验和开发[1]，以焊接电流为调节参数分档调节，进行工艺试验，取得典型的焊接工艺参数，实现按若干档位调节的参数一元化。也有研究人员曾进行了CO2焊接参数一元化的试验研究[2]，以焊丝直径为调节量，建立焊接电流信号和电压信号的一元线性回归方程，实现焊接参数的一元化调节。本研究采用焊接参数协同控制的方法，以送丝速度为调节量，通过正交试验得到各参数的最佳匹配组合，建立送丝速度调节的一元化数据库，为实现脉冲MIG焊接参数的一元化调节提供实验依据。

1 试验设备

采用自行研制的Super MIG-500数字化脉冲MIG焊机，焊机硬件有主电路和控制电路两部分。焊机主要组成结构原理如图1所示。

图1 焊机结构原理

主电路包括：抗共模滤波、三相整流滤波、全桥逆变、功率变换、输出整流滤波五部分。电网中的三相交流电首先经整流桥整流为脉动的直流电，经电容滤波后变成平滑的直流电，再经四个IGBT开关管的交替轮流导通逆变成高频方波交流电，经高频变压器降压，最后由全波整流和电抗器滤波输出，实现功率的转换，供给电弧。控制电路分为主控电路、驱动电路和送丝电路。主控电路以80C196KC单片机为核心，通过编程实现焊接过程控制、电流电压采样、A/D转换、PI运算、参数预置等功能。驱动电路采用电流型PWM控制芯片UC3846产生带死区的两路PWM来控制全桥IGBT的导通脉宽，从而控制焊机的输出电压和电流。送丝电路采用开关电源型电路，通过单片机给定的不同脉宽信号来得到不同的电压，从而获得所设定的送丝速度[3]。

2 试验方法

2.1 正交试验

正交试验是利用正交表进行科学地安排与分析多因素试验的方法，能够在因素变化范围内均衡抽样，使每一次的试验都具有较强的代表性，保证了全面试验的某些要求，节省了大量的人力、物力和时间[4]。而脉冲MIG焊的影响因素众多，工艺参数优化困难。故本研究将正交试验应用于脉冲MIG焊的工艺试验中。

在保证焊接速度、焊丝伸长量、保护气体流量等条件一致的前提下，影响脉冲MIG焊焊接效果的因素有：峰值电流（Ip），基值电流（Ib），峰值时间（Tp），脉冲频率（f=1/T），脉冲宽度比（占空比）[5]。故采取了规格化的四因素三水平正交试验表。针对每一个送丝速度，采用正交试验的方法进行工艺试验得到与其匹配的最佳参数。

工艺试验的焊接条件：试件为厚4.0 mm的Q235钢板，φ1.2 mm钢焊丝，保护气体为纯氩，气体流量15 L/min，平板堆焊。以 φ1.2 mm 焊丝、3.0 m/min送丝速度为例进行四因素三水平的正交试验，即峰值电流、基值电流、频率和占空比，每个因素取三个水平。按照优选法进行因素的水平选取，通过大量试验进行优水平的逐次逼近，试验确定各因素的优水平如表1所示。

表1 四因素三水平正交试验表

2.2 试验数据

按正交试验规定的方案完成每一号实验，试验不按表1的试验号的顺序进行试验，而是按抽签方法进行随机试验，消除由于试验中操作掌握不匀所带来的干扰以及外界条件所引起的系统误差。详细记录焊接过程和焊缝质量。针对焊接质量的评定标准如表2所示。根据焊缝质量评定归类分优、中、差，试验焊缝质量初步归类见表3。

表2 焊缝质量评定标准

表3 焊缝质量分类

2.3 试验结果和数据分析

峰值电流、基值电流、脉冲频率、占空比对脉冲MIG焊焊接质量的影响各有不同：

（1）基值电流的作用是在脉冲间歇期间维持焊丝与焊接熔池的导电状态，保证脉冲电弧稳定燃烧，同时预热焊丝和母材，使焊丝端部有一定的熔化量，为脉冲电弧期间熔滴过渡做好准备。

（2）峰值电流是决定脉冲能量的一个重要因素。为了使熔滴呈射流过渡，脉冲峰值电流值一定要大于临界脉冲电流值，但临界脉冲电流值不是固定的，它随着脉冲峰值时间和基值电流的增加而减小；反之，随着这两个参数的减小而增大。在平均电流和送丝速度不变的情况下，峰值电流增大，熔深增大；峰值电流减小，熔深减小。

（3）脉冲频率的大小主要根据焊接电流来确定。若焊接电流或送丝速度较大，需要选择较高的脉冲频率。焊接电流较小，脉冲频率则应选低一些。但脉冲频率的调节范围有一定的限制。脉冲频率过高，将失去脉冲焊接的特点；脉冲频率过低，则焊接过程不稳定，由于脉冲之间相隔时间较长，还可能产生焊缝两侧熔合不良等缺陷，一般不大于80 Hz。

（4）脉冲占空比反映了脉冲焊接特点的强弱。脉宽过大，脉冲焊接的特点就不明显，一般不大于50%[6]。

从正交试验结果可知，四个因素权重的主次顺序为：峰值电流＞占空比＞频率＞基值电流，分析试验结果得到参数匹配的最优方案：峰值电流120 A、基值电流20 A、频率40 Hz、占空比20%，具体结果如表4所示。

通过分析这九组试验：对焊接质量影响最大的是峰值电流，且当峰值电流为120 A时焊缝质量为优，比如1#、2#；其次是占空比的影响，占空比为20%时焊缝质量为优，比如 2#、6#、7#。1#、2#和 7#焊缝质量最好，成形好且有均匀鱼鳞纹、飞溅小、噪声小。

正交试验理论分析得到的最优方案在执行之前需要进行对比验证试验，将九组正交试验中焊缝质量最好的2#试验方案与正交试验得出的最优方案进行对比试验。试验结果表明，正交试验得到的最优方案比2#试验方案焊缝质量更好。故将最优方案作为一元化调节的参数。

2.4 建立数据库

按照上述正交试验的方法，针对每个送丝速度取得峰值电流、基值电流、频率、占空比的最佳匹配值建立一元化的数据库，针对碳钢材料、φ1.2 mm焊丝直径的一元化数据库如表5所示。

表4 试验结果及分析

表5 φ1.2 mm焊丝焊接低碳钢的最优参数

采用数据库中给出的最优参数进行了大量的焊接工艺试验，以验证参数的可重复性。典型焊缝照片如图2所示，焊接参数为：4.0 mm厚的Q235钢板，φ1.2 mm钢焊丝，保护气体为纯氩，气体流量15 L/min，送丝速度 3.0 m/min，手工焊接，峰值电流120A，基值电流20A，频率40 Hz，占空比20%，平板堆焊。焊缝成形均匀，鱼鳞纹美观，焊接过程稳定，无断弧现象和飞溅，焊缝质量稳定可重复性强，能够达到工业焊接要求。

图2 送丝速度3.0 m/min一元化参数焊缝

4 结论

（1）采用自行研制的数字化脉冲MIG焊机，在给定试验条件下进行了四因素三水平的正交试验，对焊接过程和焊缝质量提出了评价标准和分类原则。

（2）分析试验结果，得到了四因素的权重顺序，获得了给定送丝速度的各因素的最优水平即各参数的最佳匹配值。

（3）以正交试验为基础，获得在不同送丝速度下的峰值电流、基值电流、频率及占空比的最佳匹配值，即建立了以送丝速度为调节量的一元化数据库，为研制一元化脉冲MIG焊机提供了实验依据。

[1]黄文超，熊丹枫，薛家祥.铝硅合金双脉冲MIG焊专家数据库[J].焊接技术，2009，38（11）：43-46.

[2]杭争翔，甘洪岩，李 利.CO2焊接参数一元化试验研究[J].沈阳工业大学学报，2006，28（1）：25-28.

[3]李述辉.数字化脉冲MIG焊机的研制[D].兰州：兰州理工大学，2011.

[4]姜同川.正交试验设计[M].济南：山东科学技术出版社，1985.

[5]Subramaniam S，White D R，Jones J E，et al.Experiment approach to selection of pulsing parame ters in pulsed GMAW[J].Welding Journal，1999，78（5）：166-172.

[6]殷树言，张九海.气体保护焊工艺[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989.