雙熱絲MAG焊接設(shè)備及工藝

黃鵬飛，王亞純，陳 寧，李慶祥

（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

雙熱絲MAG焊接設(shè)備及工藝

黃鵬飛，王亞純，陳 寧，李慶祥

（北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

雙熱絲MAG焊接技術(shù)（Double Hot Wires MAG Welding Technology）是一種高效焊接方法。在焊接過程中有一根主焊絲和兩根熱絲。主焊絲和母材之間產(chǎn)生主弧，熱絲加熱電源的兩個輸出端子分別與兩根焊絲連接，經(jīng)焊接熔池構(gòu)成閉合回路。該工藝采用電阻熱預(yù)熱焊絲，利用熔池的能量最終熔化焊絲，在增大熔敷效率的同時，有效降低焊接熱輸入。研究熱絲電流Ires對焊絲熔敷速率的影響規(guī)律，并進行厚板的多層擺動焊接。結(jié)果表明，隨著Ires的增大，焊絲熔化速度增大，并且每一個熱絲電流對應(yīng)一個最佳熱絲送絲速度范圍，最大熔敷速度可達25 kg/h以上，有效提高了焊接效率。

雙熱絲；控制參數(shù)；熔敷速度

0 前言

隨著制造技術(shù)的持續(xù)快速進步，厚板高效焊接技術(shù)成為了一種不可或缺的加工方式[1]。當前的工業(yè)生產(chǎn)中，隨著高效焊接技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對提高交流熱絲焊接質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率提出了新要求。相對于傳統(tǒng)MAG焊接方法的熱輸入大、熱變形影響大，交流熱絲MAG復(fù)合焊接方法不僅增加了工藝靈活性，提高了熔敷速度，而且有焊縫質(zhì)量高、氣孔傾向很小等優(yōu)點。由于交流熱絲MAG復(fù)合焊接熔敷速率大、焊縫質(zhì)量好，線性熱輸入減少，可實現(xiàn)焊接高效化，所以對高效率焊接有重要意義[2]。厚板焊接對熔敷速率要求較高，焊接過程中極易出現(xiàn)熱變形或者金屬熔敷量不足等缺陷，調(diào)節(jié)預(yù)熱焊絲的送絲速度能夠減少焊接熱變形和調(diào)節(jié)焊接過程的熔敷速率，因此雙熱絲MAG焊接方法的研究具有重要的意義。該工藝采用交流熱絲的方式完成焊絲的預(yù)熱，能有效降低焊接過程的熱輸入。在焊接過程中預(yù)熱焊絲先經(jīng)電阻熱加熱，在未起弧的情況下，隨著焊絲的送進，焊絲進入熔池中，熔池劇烈的熱傳導(dǎo)作用能迅速熔化焊絲[3]。由此，在保證焊縫與母材充分熔合的情況下，充分利用熔池?zé)?，既能降低母材熱?yīng)力變形又能自由調(diào)節(jié)焊絲的熔敷速率，雙熱絲MAG焊接適用于對熔敷速率和熱應(yīng)力變形要求高的中厚板焊接。本研究通過焊接試驗深入研究控制方案中焊接工藝參數(shù)對焊絲熔敷速度的影響規(guī)律。

1 雙熱絲MAG焊接系統(tǒng)控制方案

熱絲MAG焊接系統(tǒng)框圖如圖1所示，“1”為交流脈沖電源的主電路部分；“2”為直流MIG電源的主電路部分；“3”為本焊接電源的主控部分；“4”為本焊接電源的人機交互系統(tǒng)部分；“5”為本焊接電源的送絲系統(tǒng)部分[4]。

圖1 熱絲MAG焊接系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of hot wire MAG welding system

雙熱絲MAG焊接電源的主電路原理如圖2所示。

其中“A”為交流脈沖電源的一次逆變部分，采用IGBT開關(guān)管，選用全橋拓撲結(jié)構(gòu)。整流橋?qū)⑷嘟涣麟娬髯優(yōu)槊}動的直流電，然后電容將其濾波變?yōu)槠交闹绷麟?，再?jīng)過開關(guān)管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的交替導(dǎo)通（IGBT1、IGBT4或IGBT2、IGBT3），逆變成高頻方波交流電，經(jīng)過高頻變壓器降壓，由變壓器二次側(cè)的整流橋整流，從而實現(xiàn)焊接電源的恒電流輸出?！癇”為本焊接交流脈沖電源的二次逆變部分，使用的也是IGBT開關(guān)管，選用推挽結(jié)構(gòu)的拓撲結(jié)構(gòu)，通過開關(guān)管IGBT5和IGBT6的交替導(dǎo)通實現(xiàn)最終輸出電流的極性轉(zhuǎn)變?！癈”為本焊機直流MAG焊接電源部分，使用的是IGBT開關(guān)管，選用的也是全橋拓撲結(jié)構(gòu)。整流橋?qū)⑷嘟涣麟娬髯優(yōu)槊}動的直流電，然后電容將其濾波變?yōu)槠交闹绷麟?，再?jīng)過開關(guān)管IGBT7、IGBT8、IGBT9、IGBT10的交替導(dǎo)通（IGBT7、IGBT10或IGBT8、IGBT9），逆變成高頻方波交流電，經(jīng)過高頻變壓器降壓，由變壓器二次側(cè)的整流橋整流，從而實現(xiàn)焊接電源的恒電流輸出。

圖2 雙熱絲MAG焊接電源的主電路原理Fig.2 Main circuit principle diagram of double hot wires welding power

該焊接系統(tǒng)熱絲電流調(diào)節(jié)范圍5～300 A，主弧電流/電壓最大值500 A/44 V，從而控制線性熱輸入和預(yù)熱焊絲的送絲速度。進行焊接工藝試驗時，送絲系統(tǒng)與焊接電源配合良好，預(yù)熱焊絲能準確送入MAG電弧形成的熔池中，調(diào)節(jié)熔敷速率，整個焊接過程十分穩(wěn)定，焊縫均勻美觀。

2 試驗方案

進行雙熱絲MAG焊接試驗，首先找出能夠?qū)崿F(xiàn)基本焊接的參數(shù)范圍，然后在此范圍內(nèi)分析主要焊接控制參數(shù)對焊絲熔敷速度的影響規(guī)律，最后找出較優(yōu)參數(shù)組合進行驗證。雙熱絲MAG焊接工藝試驗所用材料和選用參數(shù)如表1和表2所示。在雙熱絲MAG焊接系統(tǒng)控制方案中，直流MAG焊接電源產(chǎn)生的主弧在整個焊接過程中連續(xù)穩(wěn)定工作，主要作用是熔化母材和主焊絲，形成熔池。預(yù)熱焊絲主要起填充作用，還可調(diào)節(jié)熔池溫度控制母材熱應(yīng)力變形[5]。

表1 雙熱絲MAG焊接試驗所用材料Table 1 Double hot wires MAG welding experiment materials

表2 雙熱絲MAG焊接工藝試驗選用參數(shù)大小Table 2 Size of double hot wires MAG welding process parameters

3 熱絲電流對熔敷速率的影響規(guī)律

本研究以單位時間內(nèi)焊絲熔化長度來代表焊接的熔敷速度，通過調(diào)整控制方案中熱絲電流輸出Ires來研究焊接過程控制參數(shù)對熔敷速度的影響規(guī)律。試驗過程中，通過高速攝像觀察預(yù)熱焊絲是否起弧，是否劇烈抖動，判斷送絲速度的合理性。

在焊絲預(yù)熱過程中，熱絲電流以產(chǎn)生電阻熱的形式對預(yù)熱焊絲做功，電流的大小直接影響焊絲的溫度分布。本組工藝試驗中將電流從小到大分成幾組，測量不同電流值大小時送絲速度的范圍。

焊接系統(tǒng)采用電流輸出控制方案，將交流脈沖熱絲電流Ires依次設(shè)置為100A、150A、200A、250A、300 A五組，在其他控制參數(shù)不變的情況下，研究Ires對焊絲熔敷速度的影響。此時，雙熱絲MAG焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)為：干伸長Lres=18 mm，焊絲間距Lsj=12 mm，主弧電流電壓Iz/Uz=300 A/35 V。

不同交流脈沖熱絲電流Ires匹配下的焊絲熔敷速度見圖3。隨著熱絲電流的增加，送絲速度遞增，熔敷速率增加。焊絲送絲速度與熱絲電流的平方成正比，呈二次冪函數(shù)關(guān)系，隨著熱絲電流增大，最佳送絲速度調(diào)節(jié)范圍增大，最佳送絲速度范圍見圖3。

4 試驗運用

根據(jù)已測量的數(shù)據(jù)結(jié)果進行工藝試驗運用。采用25 mm厚鋼板進行熱絲MAG焊接工藝試驗。鋼板長400 mm，寬50 mm，為了優(yōu)化焊接試驗過程，V型坡口角度設(shè)為60°，鈍邊3 mm，無間隙。焊縫分為三次焊接試驗完成。第一道焊縫直接影響底面焊縫成形，并且對后續(xù)的焊接會產(chǎn)生一定的影響。在第一道焊縫焊接時采用主弧電流電壓為330A/35V，干伸長18 mm，焊接速度0.5 m/min，焊絲直徑1.2 mm。上坡焊時，傾斜角度為3°，調(diào)整金屬熔敷速率，為使焊縫高度不超過熔合線，第一道焊縫不添加熱絲。第二道焊縫焊接時采用主弧電流電壓為330 A/35 V，干伸長18 mm，焊接速度0.2 m/min，熱絲電流180 A，焊絲間距12 mm，總送絲速度達到30 m/min。此時由于焊縫底部較寬，因此在焊接過程中必須擺動焊槍從而擺動電弧，使母材與熔池充分熔合，經(jīng)測量計算，擺動幅度設(shè)置為11 mm，使電弧覆蓋熔池能到達的區(qū)域，擺動頻率1 Hz，左右停留時間0.2 s。第一道和第二道焊接工藝完成后，坡口剩余5 mm深未完成，此時最后一道蓋面焊縫的完成直接關(guān)系整道焊縫外觀。在第三道焊縫焊接時采用主弧電流電壓330 A/35 V，干伸長18 mm，焊絲直徑1.2mm?？偹徒z速度40 m/min，熱絲電流250 A，焊絲間距12 mm，焊接速度0.2 m/min。經(jīng)測量計算，擺動幅度13 mm，使電弧覆蓋熔池能到達的區(qū)域，擺動頻率0.7 Hz，左右停留時間0.2 s。焊接坡口熔合效果如圖4所示。

圖3 不同Ires時焊絲熔敷速度Fig.3 Wire melting speed when Irestakes different values

圖4 25 mm厚鋼板的焊接效果Fig.4 Welding effect of 25 mm thick steel board

由于鋼板厚度較大，所以采用三道堆焊的方式完成焊接。第一道焊接任務(wù)是完成打底焊，焊接時由于坡口窄，熔化金屬易流入電弧下方影響母材熔合，所以采用上坡焊，保持熔池位于電弧后方，可有效熔化母材鈍邊，使焊縫與母材熔合。第二道焊接采用焊接速度0.2 m/min、擺幅22 mm的擺動上坡焊，此方法可有效熔化坡口，又能在大熔敷速率情況下使母材與焊縫熔合。第三道焊接工藝與第二道相似，只是隨坡口變化，擺動幅度增加到26 mm，在滿足坡口所需熔敷量的情況下，可獲得較優(yōu)良的焊縫。

5 結(jié)論

雙熱絲MAG焊接系統(tǒng)能通過調(diào)節(jié)預(yù)熱焊絲電流、焊絲干伸長、焊絲間距和主弧電流電壓調(diào)節(jié)焊接過程的熔敷速率，預(yù)熱焊絲送絲速度與主弧實現(xiàn)了解耦，不僅增加了工藝靈活性，提高了熔敷速度，降低了線性熱輸入，而且焊縫質(zhì)量高。通過雙熱絲MAG焊接工藝試驗得到控制參數(shù)對焊絲熔敷速度的影響規(guī)律如下：

（1）隨著Ires的增大，焊絲熔敷速度變大。這是因為Ires的增大會產(chǎn)生更多的電阻熱用于預(yù)熱焊絲，使預(yù)熱焊絲更快速地熔化，最終導(dǎo)致熔敷速度變大。

（2）在熔敷速率達到25 kg/h的情況下，可分三次焊接工藝完成25 mm厚的鋼板焊接，焊縫美觀且熔合效果優(yōu)良。

[1]王永峰．焊接工藝要點分析[J]．中國科技縱橫，2013（5）：110-110．

[2]LI Jianguo.Present situation and future of welding machinery in dietary[J].China Welding，1994，3（2）：142-145．

[3]康健.熱絲MAG焊接方法的開發(fā)與應(yīng)用[J].電焊機，1991 31（2）：45-47.

[4]李詠格.一種新型熱絲TIG復(fù)合焊接裝置的研制[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2015.

[5]崔旭明，李劉合，張彥華.高效焊接工藝研究現(xiàn)狀[J].新技術(shù)新工藝，2004（7）：32-35.

Equipment and technology of double hot wires MAG welding

HUANG Pengfei，WANG Yachun，CHEN Ning，LI Qingxiang
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Double hot wires MAG welding technology is a new method of welding，it heats the metal wire by resistance heat，in the welding process，two welding wires are connected with the power output，so a current loop is formed by the molten pool formed by MAG arc.The weld pool can further heat and melt the heated wires with effectively reducing the welding heat input.Double hot wires MAG welding system achieves stable welding by the hot wires current output the influence factor and the preheated wires feeding speed matching and cooperative work.Through welding experiment，the paper deeply studies of the influence law of the control parameters the hot wire current output Ires on deposition rate of wires.The result shows that with the increase of Ires，the deposition rate of wire is increased，and each parameter corresponds to the optimum wire feed speed range of a preheating wire.The welding penetration rate can reach 25 kg/h，which improves the welding efficiency effectively.

double hot wires；control parameters；deposition rate

TG434.5

A

1001－2303（2016）12－0045-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.10

獻

黃鵬飛，王亞純，陳寧，等.雙熱絲MAG焊接設(shè)備及工藝[J].電焊機，2016，46（12）：45-48.

2016-04-08

黃鵬飛（1971—），男，北京人，副教授，博士，主要從事新型焊接工藝及設(shè)備的研究工作。