水下干法脉冲焊接电信号的稳定性

黄晓涛，石永华，李志辉，易耀勇

水下干法脉冲焊接电信号的稳定性

黄晓涛1，石永华1，李志辉1，易耀勇2

（1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州510640；2.广州有色金属研究院焊接技术研究所，广东广州510651）

电弧稳定性对水下干法脉冲焊接的焊缝质量具有重要影响。提出了一种水下脉冲焊接电信号稳定系数的计算方法，并将其作为评价电弧稳定性的指标。采用响应曲面法设计了以平均电流、基值电流、占空比、脉冲频率为参数的试验方案，并建立了电信号稳定系数关于这四个参数的数学模型，通过3D曲面图和等值线图分析了平均电流与基值电流、脉冲频率与平均电流的交互作用对电信号稳定性的影响。研究结果表明，电信号稳定性随平均电流、基值电流、脉冲频率先增强后降低，随占空比增大而增强。

水下焊接；脉冲焊接；曲面响应法；电弧稳定性

0　前言

双相不锈钢耐腐蚀性能良好，力学性能较高，因此应用广泛。脉冲焊接能在平均电流较低时，在脉冲阶段赋予熔滴较大的电弧力。但是在常压焊接时能够实现平稳射流过渡的工艺参数，在水下干法焊接环境下变成了大滴过渡、短路过渡甚至排斥过渡，焊接质量大大降低。稳定的焊接电弧是保证焊接质量的重要因素，而当熔滴过渡形式发生改变或者焊接过程出现扰动时，电弧特征也会随之改变。

国内外学者对如何评价脉冲焊电弧稳定性进行了大量研究，并得出许多行之有效的方法，通常有概率密度分布图、U-I图及频谱分析等[1]。概率密度分布图是以电流或电压值为横坐标，电流或电压值在焊接过程中出现的次数或者概率为纵坐标所画的图。对于单脉冲波形而言，信号幅值都集中在基值电流和峰值电流两个设定值之间，因此概率密度分布图呈现两个波峰，越稳定的信号，两个波峰越高，宽度越窄[2]。U-I图能够显示焊接过程电源工作点的轨迹，通过U-I图能够反映出电弧工作点的集中程度[3]。频谱分析是将信号的幅值、相位通过傅里叶变换为以频率坐标轴表示，进而分析其频率特性获得更多有用信息。

1　电信号稳定性评价指标

脉冲焊接过程中实际焊接的电流波形如图1所示，为了能真实地反映焊接过程的稳定性，对于单脉冲波形焊接而言，对电信号整体计算电流标准差并无实际意义。考虑到脉冲焊接电信号的每个周期都由峰值电流和基值电流组成，通过LabView程序，以平均电流200 A为阈值，把原始数据中大于200A的数据点存入峰值数组，小于200 A的数据点存入基值数组。

图1　熔化极脉冲电弧焊电流波形

本研究分别分析峰值阶段和基值阶段的电流信号，根据式（1）和式（2）分别计算得到峰值电流稳定系数δIP和基值电流稳定系数δIb，再通过电信号稳定系数δ来分析脉冲焊接过程电信号的稳定性。

δIP和δIb值越大，表明在对应阶段的电流信号越稳定。为方便研究电信号稳定性对焊缝成形的影响，建立统一的数学模型，将δIP和δIb相加得到电信号稳定系数δ，即

用δ作为评价电信号稳定性的指标。δ越大，表明对应阶段的电流信号越稳定。

2　压力对焊接电信号稳定性的影响

为了分析水下干法焊接中压力（即水深）对电信号稳定性的影响，分别在高压舱中模拟0 m（常压）、10 m、20 m、30 m、40 m的压力环境进行焊接试验。脉冲焊接参数为：平均电流220 A、基值电流100 A、占空比50％、脉冲频率50 Hz。采用平板堆焊，母材为6 mm厚的S32101双相不锈钢板，使用直径1.6 mm的E2209-T0-4药芯焊丝，导电嘴到母材距离16mm，焊接速度10 mm/s。针对每条焊缝的焊接电信号分别取10 000个有效数据进行δ值的计算，结果如表1所示。

表1　模拟不同水深下的电信号稳定系数δ

由表1可知，电信号稳定系数随着水深变大而逐渐变小，即焊接电信号随着压力的增大而变得越来越不稳定。

为进一步探究电信号稳定性与水深的关系，将水深作为横坐标，δ作为纵坐标，将表1数据画到同一坐标上，并计算得到线性拟合直线，如图2所示。

图2　水深对电信号稳定性的影响

其中，所获得的线性拟合方程为

计算得到R2=0.948 5，说明水深与电信号稳定性δ具有很好的线性相关性。

3　基于曲面响应法的焊接试验设计

脉冲焊接过程中可调整的焊接参数较多，在此通过响应曲面建模分析方法研究各工艺参数对电信号稳定性的影响。在实际焊接过程中，首先根据母材厚度、坡口大小等情况选择适合的平均电流。基值电流设置过高将使焊接过程失去脉冲特性，设置过小又会导致电弧不稳定甚至熄灭。因此，选取平均电流、基值电流、占空比和脉冲频率四个焊接参数作为响应曲面考察因素。各因素取值范围为：平均电流160～280 A，基值电流80～120 A，占空比40％～60％，脉冲频率30～70 Hz。

在高压舱中模拟水下20 m的压力，其他试验条件与表1相同。试验方案如表2所示，并根据试验结果计算得到电流稳定系数δ值。

表2　基于响应曲面法的试验方案及试验结果

4　试验结果分析

对表2中的电流稳定系数δ值进行响应曲面建模，通过多元回归拟合，得到电流稳定系数δ与平均电流Ia、基值电流Ib、占空比D以及脉冲频率f之间的回归模型

采用F法检验该回归方程显著性，计算得到F= 10.33，设置信度为95％，即α=0.05，查询F分布临界值表得F（0.05，14，15）=2.45，F=10.33＞2.45，因此，该响应曲面回归方程是显著的。

4.1单一参数对电信号稳定性的影响

RSM试验方案的中心点为平均电流220A，基值电流100 A，占空比50％，脉冲频率50 Hz。利用回归方程（5）得到各个单参数响应曲线

将各参数值进行编码，再将编码值作为横坐标，电流稳定性系数δ为纵坐标，把各单一参数的响应曲线画在同一个坐标轴上，如图3所示。

图3　单一参数对电流稳定系数δ的影响

（1）平均电流对电信号稳定性的影响。

电信号稳定性随着平均电流的增大呈整体先增强后减弱的趋势。在平均电流较低时，电信号稳定性对送丝速度的变化十分敏感，随着平均电流的增大，该敏感度会逐渐降低，即电信号输出的抗干扰能力逐渐增强，所以电流稳定性逐渐增强。当平均电流继续增大超过了临界点时，较高的平均电流容易导致瞬时功率在峰值阶段超过焊机输出的限制，被迫降低电流，使电信号稳定性变差，因此当平均电流继续增大，电信号稳定性有所减弱。

（2）占空比对电信号稳定性的影响。

随着占空比的增大，电信号稳定性逐渐增强。当占空比较小时，峰值电流较高，峰值阶段热输入增大使得焊丝熔化速度较快，导致弧长较长，弧压较高。过高的弧压使焊丝端部周而复始地上下跳动，焊接过程电信号不稳定[4]。同时在焊接电流较小或电弧电压较高时会发生熔滴大滴过渡的情况，使得电信号稳定性较差。随着占空比的增大，峰值电流逐渐减小，峰值弧压降低，熔滴过渡情况改善，电信号稳定性逐渐增大。

（3）基值电流对电信号稳定性的影响。

基值电流对电信号稳定性的影响表现为电信号稳定性随着基值电流的增大整体上先增强后减弱。基值电流较小时，由于平均电流确定，峰值电流会较大，较高的峰值电流使得焊丝在峰值阶段熔化较快，从而导致弧长较长，弧压较高，电信号稳定性较差。随着基值电流的增大，峰值电流减小，峰值阶段弧长变短，电信号稳定性提高。但随着基值电流继续增大，峰值电流继续减小，一个脉冲周期内不足以引起熔滴过渡时，熔滴将经过几个连续周期才依靠重力作用过渡到熔池[5]，过渡的时刻不规律，电信号稳定性差。因此，电信号稳定性随着基值电流的增大，先增强后减弱。

（4）脉冲频率对电信号稳定性的影响。

随着脉冲频率的增大，电信号稳定性先增强后减弱。在脉冲频率较小时，随着脉冲频率的增大，熔滴过渡从一脉多滴变为一脉一滴，焊接过程稳定性增加，但当频率继续增大时，单个脉冲周期内熔滴不足以充分长大并过渡到熔池。只有经过若干个脉冲周期后，熔滴在重力作用下过渡到熔池[4]。此时熔滴的过渡形式和过渡时刻都不规律，信号稳定性变差。在脉冲频率约为45 Hz时电信号稳定性最好。

4.2焊接参数交互作用对电信号稳定性的影响

（1）平均电流和基值电流对电信号稳定性的影响。

图4为设定占空比D=50％、脉冲频率f=50 Hz时，电信号稳定性δ随平均电流和基值电流改变的3D曲面图和等值线图。

图4　平均电流和基值电流对电信号稳定性的影响

电信号稳定性随着基值电流的增大而增强的趋势在平均电流较低的条件下比较明显。这表明，平均电流较低时电信号稳定性对基值电流的敏感度更高。因为在低平均电流条件下，电信号稳定性对送丝速度的敏感度较高，信号抗干扰能力较弱，峰值电流一旦增大，弧长变长，会明显地降低电信号的稳定性。

由图4还可知，电信号稳定性随着平均电流的增大而增强的趋势在基值电流较低时更为明显。当基值电流较小时，对于相同的平均电流，峰值电流较大，弧压较高，电信号稳定性较差。当平均电流较小时，电信号的抗干扰能力较弱，峰值电流的提高对电信号稳定性的影响更为明显。因此，在基值电流较小时，平均电流对焊接电信号稳定性的影响更加显著。从等值线图可知，在基值电流约110 A、平均电流约230 A时，电信号稳定性最好。

（2）脉冲频率和平均电流对电信号稳定性的影响。

图5为基值电流100 A、占空比50％时，电信号稳定性δ随平均电流和脉冲频率改变的3D曲面图和等值线图。

图5　平均电流和脉冲频率对电信号稳定性的影响

把某一平均电流下电信号稳定性最高时的频率称为该电流等级的最优脉冲频率，由图5可见，随着平均电流的增加，最优频率在逐渐减小。当平均电流为170 A时，最优脉冲频率约为55 Hz，当平均电流增大到210A时，最优脉冲频率约为48Hz。

把某一脉冲频率下的电流稳定系数取得最高值时的平均电流称为该频率下的最优平均电流，从等值线图可以看出，最优平均电流随频率的增加而减小。沿着平均电流变化方向，高频率条件下电信号稳定性能达到的最高值比中低频率时小，如频率低于55 Hz时，最高电弧稳定系数大于12，而频率大于55 Hz时则只能达到11，当频率大于65 Hz时，电弧稳定系数最高只能达到10。

5　结论

研究了平均电流、基值电流、占空比及脉冲频率对水下干法脉冲焊接过程电信号稳定性的影响，主要结论如下：

（1）焊接电信号稳定性δ随着压力的增大而降低，并建立了δ值与压力的线性拟合方程。

（2）设计了曲面响应试验方案，建立水下20 m干法脉冲焊接的电信号稳定系数关于平均电流、基值电流、占空比以及脉冲频率的回归方程，该方程具有显著性。

（3）电信号稳定系数δ随着平均电流Ia、基值电流Ib和脉冲频率f的增加先增强后降低，随着占空比D的增加而不断增加，其中占空比对电信号稳定性的影响最为明显。

（4）焊接参数交互作用对电信号稳定性有较大影响。

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Research on the electrical signal stability of underwater dry pulse welding

HUANG Xiaotao1，SHI Yonghua1，LI Zhihui1，YI Yaoyong2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Institute of Welding Technology，Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals，Guangzhou 510651，China）

Arc stability of underwater dry pulse welding has great influence on the weld quality.A mathematical model for welding electrical signal stability is developed and applied to evaluate the welding arc stability.An experimental plan based on average current，base current，dutycycleandpulsefrequencyisdesigned using response surface methodology（RSM）.Amathematicalmodelof the correlationships between these four factors and the electrical signal stability is developed.Finally，the influences of the interactions among the average current and base current，pulse frequency and average current on the electrical signal stability is analyzed by using 3D surface graphs and contour maps.The results show that the electrical signal stability may first increase and then decrease with the increase of average current，base value current，pulse frequency，and increase with the increasing duty ratio.

underwater welding；pulse welding；response surface methodology；arc stability

TG403

A

1001－2303（2016）01－0023-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.06

2015-07-03；

2015-10-05

国家自然科学基金资助项目（51374111，51175181）

黄晓涛（1990—），男，在读硕士，主要从事水下焊接技术的研究。