丁 強(qiáng)，華 勝，李 力，齊鉑金，楊 舟，楊明軒

(1.北京時(shí)代科技股份有限公司，北京 100085;2.北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

0 前言

鎢極氬弧焊GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)因其電弧穩(wěn)定性好、可靠性高，廣泛應(yīng)用于金屬材料的薄板焊接，其中變極性GTAW和直流GTAW常用于鋁合金、鈦合金等航空航天高強(qiáng)材料

收稿日期:2013-12-16的焊接。為了進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)焊接質(zhì)量的控制，在傳統(tǒng)GTAW技術(shù)的基礎(chǔ)上形成了脈沖GTAW技術(shù)，研究表明，周期性變化的脈沖電流將改變作用于熔池的電弧熱力特性;另一方面，脈沖電流的加入能夠加速母材熔化并促進(jìn)金屬流動(dòng)，待其冷卻后可獲得細(xì)化的凝固組織，對(duì)抗拉強(qiáng)度、顯微硬度和塑性等接頭力學(xué)性能的改善作用顯著［1－2］。

在GTAW電弧焊接系統(tǒng)中，焊接電源占據(jù)著極其重要的地位，電源輸出的電流特征將直接影響電弧焊接過程和焊接質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，逆變弧焊電源的頻率大小對(duì)焊縫晶粒的細(xì)化效果有明顯的影響［3］。同時(shí)脈沖電流躍變時(shí)，脈沖電流前、后沿越陡，產(chǎn)生的高頻效應(yīng)越顯著［4］。受電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制原理和高頻大電流傳輸技術(shù)等諸多因素的制約，國(guó)內(nèi)外早期研制的脈沖GTAW電源中輸出脈沖電流頻率在10 kHz以上時(shí)，電流波形畸變嚴(yán)重，脈沖電流升/降沿變化緩慢，電流變化率di/dt一般在5 A/μs以下，嚴(yán)重制約了高頻效應(yīng)的發(fā)揮;對(duì)于脈沖變極性GTAW而言，還存在電流極性變換頻率低、有過零時(shí)間及升/降沿變化緩慢等缺點(diǎn)。

基于北航的發(fā)明專利［5－7］，北京時(shí)代科技股份有限公司與北京航空航天大學(xué)合作研究開發(fā)了TDW 5000E超高頻脈沖方波氬弧焊機(jī)，該焊機(jī)實(shí)現(xiàn)了超快速電流上升/下降沿變化速率(di/dt≥50 A/μs)及0～100 kHz脈沖頻率的百安培以上方波電流輸出。將其應(yīng)用于2219－T87鋁合金材料和TC4鈦合金材料的焊接中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有效降低了焊縫的氣孔敏感性，明顯改善焊縫組織和接頭性能。

1 焊接電源

1.1 電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 超高頻脈沖氬弧焊機(jī)電路拓?fù)浜蛯?shí)物

超高頻脈沖方波氬弧焊機(jī)電路原理如圖1a所示。主電路由基值電流主電路、脈沖電流主電路、變極性交流主電路和吸收保護(hù)回饋電路等組成。圖1a中的三相380 V交流電經(jīng)全橋整流濾波后，直接送入IGBT逆變開關(guān)，產(chǎn)生的高頻電壓經(jīng)高頻變壓器降壓傳輸和輸出整流濾波后實(shí)現(xiàn)恒定電流輸出。在恒定電流輸出的基礎(chǔ)上，基值電流主電路由控制電路實(shí)現(xiàn)基值的脈動(dòng)輸出，同時(shí)脈沖電流主電路中功率開關(guān)管Tp1和Tp2交替導(dǎo)通與關(guān)斷形成快速變換的脈沖電流，實(shí)現(xiàn)超高頻脈沖直流方波輸出，脈沖電流占空比變化0～100%?；惦娏髋c脈沖電流進(jìn)入全橋式電流極性變換電路得到超高頻脈沖變極性電流。為保護(hù)脈沖電流主電路、全橋式電流極性變換電路中的功率開關(guān)器件，設(shè)計(jì)了并聯(lián)吸收保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路尖峰電壓的快速有效吸收，其能量將由吸收保護(hù)回饋電路吸收，并被回饋至焊機(jī)電源的直流輸入母線上，保證整機(jī)可靠性的同時(shí)提高整機(jī)效率，達(dá)到節(jié)能目的。超高頻直流脈沖方波氬弧焊焊接電流波形如圖2a所示，超高頻脈沖方波變極性氬弧焊焊接電流波形(在獲得過零無(wú)死區(qū)時(shí)間且具有快速電流上升沿和下降沿變化速率(di/dt=50～100 A/s)方波電流的基礎(chǔ)上，在正極性電流持續(xù)期間加入電流幅值達(dá)百安培以上的超高頻脈沖方波大電流(脈沖頻率0～100 kHz)，如圖2b所示。其中脈沖電流幅值(Ipc=Ip－Ib)、脈沖頻率(fH=1/(Tp+Tb))、占空比(δ=Tp/(Tp+Tb))、正負(fù)極性導(dǎo)通比(σ=tp/(tp+tN))、變極性頻率(fL=1/(tp+tN))均可精確控制調(diào)節(jié)。

開發(fā)的新型主電路變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大減小了電流波形對(duì)回路電感的敏感性，降低了傳輸回路電感等因素對(duì)超高頻脈沖方波電流和變極性方波電流的影響。

1.2 電源工作原理

圖2 超高頻脈沖方波焊接電流波形示意

超高頻脈沖方波氬弧焊機(jī)電源控制框圖如圖3所示，整機(jī)采用MC9S12X EP100MAL作為主控MCU，設(shè)計(jì)了數(shù)字化焊接電源控制系統(tǒng)。脈沖基值電流、脈沖電流可分別設(shè)定，由主控板上的D/A模擬電壓輸出，并分別進(jìn)入基值電流控制板與脈沖電流控制板，對(duì)IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行控制，調(diào)整電流的幅值使輸出電流與設(shè)定電流相符;對(duì)于直流GTAW而言，根據(jù)設(shè)定的脈沖電流頻率給定值fHg、占空比給定值δg，MCU主控板輸出與頻率設(shè)定值相符合PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大后，控制脈沖電流切換電路中Vp1的開通/關(guān)斷，使輸出端得到的脈沖電流頻率、占空比與設(shè)定值相同。對(duì)于變極性GTAW而言，還需要設(shè)定變極性頻率給定值fLg、正負(fù)極性導(dǎo)通比σg給定值。與直流GTAW相同，主控板輸出兩路相位差為180°且與設(shè)定值相符合的PWM信號(hào)，控制V1、V4與V2、V3的導(dǎo)通與關(guān)斷。

為實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互界面，選用MT6070iH型號(hào)7寸電阻式觸摸屏作為操作與顯示裝置，如圖4所示。MCU將脈沖頻率、占空比、基值電流、脈沖電流等設(shè)定的工藝參數(shù)以及焊接過程的其他參數(shù)，根據(jù)MODBUS協(xié)議通過RS485接口輸出到觸摸屏上。不同的焊接參數(shù)設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)多種焊接方法，如直流 GTAW、超高頻直流脈沖 GTAW、變極性GTAW、復(fù)合超高頻脈沖變極性GTAW等。

圖3 超高頻脈沖方波氬弧焊電源控制原理框圖

圖4 觸摸屏參數(shù)設(shè)置及顯示

采用數(shù)字示波器TPS2014和霍爾電流傳感器，獲得實(shí)際焊接過程中超高頻脈沖直流及脈沖變極性方波電流波形，如圖5所示。圖6為變極性電流上升/下降沿和超高頻脈沖電流上升/下降沿波形，由圖6可知，電流從－110 A上升至+100 A以及從+100 A下降至－110 A僅用了約4 μs，成功獲得了具有超快速電流上升沿和下降沿變化速率(大于等于50 A/μs)且過零無(wú)死區(qū)時(shí)間的復(fù)合超音頻脈沖變極性方波電流。

2 焊接試驗(yàn)

分別采用超高頻脈沖變極性GTAW和超高頻直流脈沖GTAW工藝對(duì)2219－T87高強(qiáng)鋁合金及TC4鈦合金工件進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并與采用常規(guī)變極性GTAW工藝和直流GTAW焊接所獲得的工件試樣進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 氣孔敏感性

常規(guī)變極性GTAW及超高頻脈沖變極性GTAW工藝下得到的2219－T87鋁合金焊接的X射線探傷結(jié)果如圖7所示。由圖7a可知，采用常規(guī)變極性GTAW的鋁合金試樣焊縫中心出現(xiàn)了較大的連續(xù)氣孔;圖7b為同樣工況條件下采用超高頻脈沖變極性GTAW工藝獲得的焊縫，無(wú)氣孔缺陷。

圖5 超高頻脈沖焊接電流波形

圖6 超高頻脈沖焊接電流沿變化率

圖7 2219－T87鋁合金焊縫成形及X射線探傷

常規(guī)直流GTAW及超高頻直流脈沖GTAW工藝下得到的TC4鈦合金焊接X射線探傷結(jié)果如圖8所示。由圖8a可知，常規(guī)直流GTAW的試樣焊趾處出現(xiàn)較大的獨(dú)立散布?xì)饪祝瑘D8b為同樣工況條件下采用超高頻脈沖直流GTAW工藝獲得的焊縫，無(wú)氣孔缺陷。

2.2 焊縫顯微組織

常規(guī)變極性GTAW及脈沖頻率為40 kHz的超高頻脈沖變極性GTAW所焊接的2219－T87鋁合金焊縫顯微組織如圖9所示，未加入脈沖電流的接頭焊縫區(qū)組織以粗大樹枝晶為主(見圖9a)。當(dāng)加入超高頻脈沖電流時(shí)，在焊縫中部出現(xiàn)了平均晶粒尺寸為23～26 μm且呈帶狀分布的細(xì)小等軸非枝晶組織，并與焊縫中部的等軸樹枝晶交替分布，晶粒細(xì)化明顯(見圖9b)。

圖8 TC4鈦合金X射線探傷

圖9 2219－T87鋁合金焊縫顯微組織

采用不同工藝焊接的TC4鈦合金顯微組織如圖10所示，未加入脈沖電流時(shí)焊縫熔合區(qū)針狀α'馬氏體多為長(zhǎng)條形，有少許網(wǎng)籃狀組織(如圖10a)。超高頻脈沖電流作用下，晶粒細(xì)化趨勢(shì)明顯，顯微組織以熔合區(qū)晶粒尺寸顯著減小，亞晶組織呈現(xiàn)以短棒狀α'馬氏體組成的網(wǎng)籃狀組織或α'片狀組織與短棒狀α'相交織為主的形態(tài)。

圖10 TC4鈦合金焊縫顯微組織

2.3 焊接接頭力學(xué)性能

2219－T87高強(qiáng)鋁合金接頭力學(xué)性能如表1所示，采用超高頻變極性脈沖GTAW所獲取的接頭抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率分別增大了32%和138%，接頭塑性大幅提高，有利于提高航空飛行器焊接結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命?；赥C4鈦合金焊接接頭進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示，與常規(guī)直流GTAW相比，采用超高頻脈沖GTAW獲取的試樣斷后延伸率及斷面收縮率分別增長(zhǎng)了96%和139%，接頭塑性增強(qiáng)。

表1 2219－T87鋁合金焊接接頭力學(xué)性能

表2 TC4鈦合金焊接接頭力學(xué)性能

3 結(jié)論

(1)采用超高頻脈沖GTAW技術(shù)、新型IGBT拓?fù)潆娐泛蚆CU數(shù)字化控制方案，實(shí)現(xiàn)了超快速電流上升/下降沿變化速率(di/dt≥50 A/μs)及0～100 kHz脈沖頻率的達(dá)百安培的方波電流輸出，成功開發(fā)出了TDW 5000E超高頻脈沖方波氬弧焊機(jī)。

(2)超高頻脈沖變極性GTAW和超高頻直流脈沖GTAW工藝可有效降低焊縫的氣孔敏感性。應(yīng)用于2219－T87高強(qiáng)鋁合金材料中，得到的焊縫顯微組織晶粒細(xì)化顯著，接頭抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均有大幅提升。對(duì)于TC4鈦合金材料，焊縫顯微組織中網(wǎng)籃組織所占比例增大，接頭的塑性得到明顯改善。

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