史明宇，劉 嘉，朱孝祥，白立來

（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過渡控制

史明宇，劉 嘉，朱孝祥，白立來

（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

熔化極氣體保護焊（GMAW）作為一種高效靈活的焊接方法，已得到了廣泛應用，但在精密焊接應用較少，其熔滴過渡不易控制、焊接過程不夠穩(wěn)定是限制其應用的主要原因。在此提出以施加機械力的方式使熔滴發(fā)生可控的過渡行為，設計了以DSP為核心的壓電執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，采用等速送絲和快速回抽相結(jié)合的熔滴過控制方案。以響應速度快，頻率高的壓電執(zhí)行器為基礎設計了焊絲擠壓回抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了焊絲的送進回抽功能。在該系統(tǒng)的控制下，實現(xiàn)了同一電流下不同頻率的熔滴過渡行為和對焊接過程熔滴尺寸的控制。

壓電執(zhí)行器；熔滴過渡；焊絲回抽

0 前言

GMAW作為一種高效靈活的焊接方法，已廣泛應用于工業(yè)自動化焊接生產(chǎn)，但在航天與核能領域，為了確保焊接的可靠性，仍然以TIG焊為主。這是因為TIG焊中填充金屬是通過電弧間接加熱，很容易調(diào)節(jié)熱輸入；填充焊絲不通過焊接電流，不存在熔滴過渡問題，焊接過程沒有飛濺，焊縫成形美觀[1]。GMAW采用可熔化焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲，雖然提高了焊接效率，但也帶來了熔滴過渡過程受焊接電壓、電流影響大，熔滴過渡及熱輸入難以控制，無法保證高質(zhì)量焊接的問題[2]。

為實現(xiàn)GMAW焊接過程熔滴過渡的可控性，本研究提出一種施加外力的方式，通過改變?nèi)鄣蔚氖芰ζ胶鉅顟B(tài)，使熔滴在同一電流下實現(xiàn)不同尺寸的熔滴過渡，進而消除GMAW電壓電流對熔滴過渡的影響，實現(xiàn)過程穩(wěn)定、熱輸入可控的焊接過程。即在熔滴形成過程中，在電弧力和重力作用下不足以使熔滴產(chǎn)生過渡時，利用壓電陶瓷快速響應夾住焊絲使其停止，并由另一個壓電陶瓷動作使夾緊焊絲回抽，此過程送絲機仍在等速送絲，送絲軟管內(nèi)有一定的焊絲余量，當夾緊焊絲結(jié)束時，余量焊絲將有一個加速釋放的過程，余量釋放結(jié)束時熔滴將在慣性力作用下脫離焊絲實現(xiàn)過渡。

1 熔滴受力分析

焊絲端頭熔滴所受的力主要有：表面張力、重力、電磁力。燃弧期隨著焊絲的熔化，熔滴體積逐漸增大，熔滴形狀的動態(tài)變化直接影響熔滴的軸向長度和熔滴下端的形狀。熔滴較小時，重力作用不明顯，熔滴上的主要作用力為表面張力和電磁力，表面張力使熔滴的表面能趨于最小，熔滴趨于球形，液面的壓力指向球心內(nèi)側(cè)，因此，在熔滴較小時，表面張力起到阻礙熔滴過渡的作用，并維持熔滴呈球形；熔滴較大時，重力的作用將軸向拉長熔滴，呈橢圓或下垂形[3]。電磁力對熔滴的作用取決于弧根和熔滴的大小，熔滴小于半球和熔滴大于半球時的力的作用情況如圖1所示。

圖1 熔滴受力情況

熔滴較小時，熔滴上的軸向電磁分力向上，對熔滴起支撐作用，克服重力的作用，維持熔滴呈球形；熔滴較大時，燃弧段后期弧根擴展，軸向電磁力向下，使熔滴呈拉長趨勢。

熔滴所受的表面張力表示為

式中σ為表面張力系數(shù)；rd為熔滴半徑。

熔滴所受的重力表示為

式中md為熔滴質(zhì)量；g為是重力與質(zhì)量的比值。

作用在有電流流動的物體上的電磁力具有方向和大小的矢量，設作用在單位體積上的力為fem（單位：N/m3），則每一個小熔滴單元上所受的電磁力fem為

式中fem為每一個單元上所受的電磁力（單位：N）；J為電流密度（單位：A/m2）；B為磁場強度（單位：T）。

電流流過焊絲產(chǎn)生環(huán)形的感應磁場，磁場對熔滴產(chǎn)生的電磁力隨著熔滴動態(tài)而變化。電流為發(fā)散或聚集狀流過熔滴時，電磁力可以分解為徑向和軸向的分力，作用在熔滴上的電磁力的軸向分力可以是方向向上，也可以是方向向下。通過對熔滴內(nèi)單位體積所受電磁力的積分，得到熔滴的軸向電磁力[4]

式中I為焊接電流；re為焊絲半徑；rd為熔滴半徑；θ為熔滴角度；μ0為真空導磁率。

若計算結(jié)果為負值，說明電磁力方向向上，為正值則方向向下。可以看出，電磁力與熔滴形狀和電流大小密切相關。

2 控制方案

2.1 總體設計

根據(jù)熔滴受力分析可知，熔滴受力與熔滴形狀及焊接電流等多因素有關，不易控制，本研究提出施加外界機械力打破熔滴的受力平衡實現(xiàn)熔滴提前過渡的方案。根據(jù)此方案設計了基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過渡控制系統(tǒng)，主要由DSP數(shù)字控制、壓電驅(qū)動器、壓電執(zhí)行器、弧壓采樣幾部分組成?？刂瓶驁D如圖2所示，系統(tǒng)中加入弧壓采樣及反饋回路，以便實時檢測焊接過程中是否會出現(xiàn)干擾，及時作出調(diào)整。

圖2 熔滴過渡控制系統(tǒng)控制框圖

DSP控制部分實現(xiàn)功能有：電弧電壓采樣分析，通過調(diào)控PWM輸出方波占空比調(diào)節(jié)輸出電壓信號的大小；控制兩個壓電陶瓷動作的時序及位移量。焊絲的回抽環(huán)節(jié)是本研究的關鍵環(huán)節(jié)，不僅要有合理的實現(xiàn)機構(gòu)，還要實現(xiàn)在很短時間內(nèi)完成焊絲夾緊回抽。選擇目前應用較為成熟的壓電陶瓷作為執(zhí)行器，它能通過壓電效應使電能高速地轉(zhuǎn)化成機械位移和壓力。采用PI公司的兩款高剛度線性壓電致動器A，B來完成上述動作，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 壓電陶瓷性能參數(shù)

2.2 基于陶瓷特性的控制方案

由表1可知，該壓電陶瓷相當于一個容性負載，壓電陶瓷動作的過程就是壓電陶瓷本身的充電過程，充電過程停止壓電陶瓷動作停止。壓電陶瓷動作的控制信號從DSP發(fā)出，經(jīng)過壓電驅(qū)動器放大對壓電陶瓷供電，兩壓電陶瓷在供電時充電響應曲線如圖3所示。通道1的方波為DSP給出的脈沖信號，有緩慢上升過程的通道2為壓電陶瓷充電響應曲線，可以看出信號從DSP輸出經(jīng)過驅(qū)動放大器沒有延時，因壓電陶瓷A電容量小于B電容量，其充放電過程均快于后者。

圖3 壓電陶瓷充電響應曲線

根據(jù)兩個壓電陶瓷的響應特性，設計兩個陶瓷驅(qū)動電壓的信號先后順序，使兩個陶瓷能夠協(xié)調(diào)動作。實現(xiàn)擠壓動作的壓電陶瓷A比實現(xiàn)回抽動作壓電陶瓷B的供電信號提前1 ms，以保證在進行回抽動作時另一個陶瓷完成對焊絲的擠壓，當回抽動作結(jié)束時，擠壓焊絲的動作同樣先于回抽的動作結(jié)束，使余量焊絲加速送出。

3 焊絲回抽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

焊絲回抽的動作是兩個壓電陶瓷在合理的機械結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)動作來實現(xiàn)的。根據(jù)回抽過程分析，需要對焊絲擠壓和擠壓塊的整體回抽動作。機構(gòu)中采用了兩個微型直線滑塊組，在上下兩個滑塊上固定壓塊，并在壓塊上開V形槽對焊絲擠壓，壓電陶瓷A作用于一個滑塊組實現(xiàn)擠壓功能，壓電陶瓷B作用于下壓塊，使擠壓后上下壓塊和焊絲能一起隨陶瓷對壓塊的推移而移動實現(xiàn)回抽。壓電陶瓷的響應速度快，實現(xiàn)回抽功能的壓電陶瓷最大額定位移0.5 mm，高速攝像拍攝其運動過程分析發(fā)現(xiàn)達到的加速為1 000 m/s2，所以完成焊絲回抽動作的擠壓整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量要小，以減小慣性力，設計的機構(gòu)如圖4所示。

圖4 回抽機構(gòu)

焊絲回抽過程中起阻礙作用的力包括：整個移動機構(gòu)的慣性力，回抽部分焊絲的慣性力，焊絲折彎的屈服力Fr。以0.8mm鋼焊絲為例，在發(fā)生彎曲時由于其直徑遠遠小于其彎曲長度，可以將焊絲抽象為細長桿，假設以0.5m長焊絲算其屈服力Fr=0.5N。焊絲回抽時焊絲在送絲軟管內(nèi)彎曲并有一部分回抽，送絲管一般為3 m，以其中一半發(fā)生回抽動作，其質(zhì)量約為13.3 g（鋼的密度為7.85 g/cm3），設計的整個移動機構(gòu)質(zhì)量為56.2 g。由表1查得壓電陶瓷能受最大正壓力為100 N，代入式（5）

式中F為壓電陶瓷提供的最大推力（單位：N）；m1為長一米的0.8 mm鋼焊絲質(zhì)量（單位：Kg）；m2為設計的移動機構(gòu)塊總質(zhì)量（單位：Kg）；a1為加速度（單位：m/s2）。計算得a1＞1000m/s2，移動快，質(zhì)量滿足慣性力要求。

4 實驗分析

應用小電流對薄鋼進行焊接實驗。實驗條件：焊絲為φ0.8mm的JM-56，母材為3mm厚低碳冷軋鋼；保護氣體為100％氬氣，氣流量15mL/min；焊炬高度20 mm，焊接速度0.4 m/min。工藝參數(shù)：電流70 A，送絲速度4.5 m/min。在不加回抽動作情況下，用高速攝像拍攝熔滴過渡行為，每秒鐘約發(fā)生1次不規(guī)律的短路過渡。

圖5 兩陶瓷供電順序

基于上述數(shù)據(jù)，實驗中回抽時間為5 ms，給焊絲施加不同的回抽頻率，觀測回抽后熔滴過渡過程。過程中兩壓電陶瓷充電響應曲線如圖5所示，超前1ms的陶瓷負責擠壓動作。焊絲回抽頻率從10Hz逐漸增加到40 Hz，在10 Hz時熔滴過渡次數(shù)有所增加，每秒中出現(xiàn)2～3次，過渡行為仍不受控制，熔滴要經(jīng)過多次回抽（熔滴足夠大時）才會發(fā)生過渡。熔滴過渡后第一次回抽和甩出動作如圖6所示。圖中1～5為回抽過程，6～9為加速甩出過程，到10甩出過程結(jié)束熔滴又趨于穩(wěn)定，并未實現(xiàn)過渡。

圖6 回抽頻率10 Hz時熔滴動作過程

頻率從10 Hz增加到20～25 Hz時熔滴出現(xiàn)了規(guī)律的過渡行為（每次回抽都有一個熔滴形成），頻率繼續(xù)增加，熔滴過渡又出現(xiàn)不規(guī)律性。在20 Hz時回抽下的熔滴過渡過程如圖7所示?？梢钥闯觯S著焊絲向下加速運動結(jié)束，熔滴脫離了焊絲，熔滴直徑明顯小于10 Hz時。通過高速攝像拍的圖片分析熔滴向下甩的過程用時2 ms，焊絲回抽時間5 ms，期間送絲0.53 mm，焊絲回抽0.5 ms，設軟管內(nèi)焊絲余量釋放為恒加速，則焊絲完全釋放時其速度超過60 m/min，釋放結(jié)束變?yōu)檎Ｋ徒z速度4.5 m/min，此時熔滴受到較大的慣性力，打破原來各力的平衡，熔滴發(fā)生過渡。

圖7 回抽頻率20 Hz時熔滴過渡過程

實驗分析發(fā)現(xiàn)：回抽將熔滴甩掉的過程受多個參數(shù)影響，在焊接電流、送絲速度、焊絲直徑一定的情況下影響其脫落的因素有回抽頻率（Hz）和回抽時間長度（T）。在電流一定的情況下，回抽頻率決定回抽時刻熔滴直徑與焊絲直徑的比值。多次實驗發(fā)現(xiàn)其比值為1.5時熔滴容易被甩出?；爻闀r間長度是指夾住焊絲回抽到松開焊絲的時間間隔。在送絲速度一定的情況下，它能決定送絲軟管內(nèi)的焊絲余量，進而決定焊絲松開時的加速距離及熔滴的慣性力大小?；爻闀r間過短不足以甩出熔滴，時間過長，熔滴的過渡頻率及焊接效率都將受到影響。實驗中將回抽時間改為10 ms時，熔滴穩(wěn)定過渡的回抽頻率范圍明顯變寬，說明通過這兩個參數(shù)合理配合能滿足不同的工藝需求。

5 結(jié)論

利用壓電執(zhí)行器的高頻響應特性實現(xiàn)焊絲高頻的送進—回抽動作，使熔滴在機械力的作用下實現(xiàn)了可調(diào)的熔滴過渡行為，GMAW的熔滴過渡時的熱、力、質(zhì)的傳遞過程成為可控，提高了

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GMAW droplet transfer control based on piezoelectric actuators

SHI Mingyu，LIU Jia，ZHU Xiaoxiang，BAI Lilai
（College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

GMAW welding as an efficient and flexible method has been widely used，but less in precision welding applications，because it is difficult to control droplet transfer and the welding process is not stable enough to limit.Therefore，this paper proposes a way of applying a mechanical force to make controllable droplet transfer behavior occur，the actuator is designed to DSP core piezoelectric control system，constant wire feed and fast withdrawing combination of controlling the droplet program.In response speed,high frequency piezoelectric actuator is designed based on the wire extrusion withdrawing mechanism to achieve a wire feed withdrawing function.Under the control of the system to achieve the droplet transfer behavior of different frequencies in the same current，can realize the welding process control droplet size.

piezoelectric actuator；droplet transfer；welding wire return

TG444+.72

A

1001－2303（2016）12－0118-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.26

獻

史明宇，劉嘉，朱孝祥，等.基于壓電執(zhí)行器的GMAW熔滴過渡控制[J].電焊機，2016，46（12）：118-121，127.

2016-05-02

史明宇（1988—），男，河南商丘人，碩士，主要從事嵌入式控制和GMAW焊接工藝的研究工作。