变极性脉冲MIG焊技术优化方案

随着工业的快速发展，薄板铝合金制件应用日益广泛，如航空航天、高速列车、地铁车辆、汽车、石化和船舶工业等。铝合金结构常采用焊接方法连接。为了保证焊接质量和较高的焊接生产率，传统的焊接方法是TIG焊，但因其效率太低，许多焊接工作者多年来一直试图采用MIG焊来代替TIG焊，但是均未获得成功。直到近几年来才研制成功变极性脉冲MIG焊法（简称VPPMIG焊）。

1.VPPMIG焊原理

大家知道，脉冲MIG焊可以在几十安的小电流情况下进行稳定的焊接。但是在焊接1mm以下的薄板时，尤其是在焊接搭接角焊缝时，要求在装配间隙较大的情况下，具有良好的搭接性能。这时普通的DCPMIG焊（直流脉冲MIG焊）是不能适应这一要求的。有人提出一种ACPMIG焊（也称为VPPMIG焊）法，如图6-103所示。从图6-103中可以看到ACPMIG焊法可以焊接更薄的铝焊件，同时在相同的焊件厚度时，该法允许更大的搭接接头间隙。从焊接薄板件来看，它的适用性仅次于TIG，但却比MIG中的任何方法要好一些。ACPMIG焊与DCPMIG焊方法的比较如图6-104所示。

图6-103 各种焊接方法焊接铝合金时搭接间隙与焊件厚度的适用范围

图6-104 DC与AC脉冲MIG焊的电流波形比较

从图6-104中可见，DCPMIG焊法的电流波形如图6-104a所示，将基极电流I_b从EP极性翻转成EN极性的t_en，这时该电流就由直流正极性（DCEP）转变为交流脉冲波形，如图6-104b所示。这里提出了一个重要参数EN比率：

EN比率=t_en/（t_en+t₁+t₂） （6-10）

式中 t_en——EN极性所占的时间（ms）；

t₁——EP极性的脉冲时间（ms）；

t₂——EP极性的基值时间（ms）。

EP的脉冲电流与DCPMIG相同，也是为了保证一个脉冲过渡一个熔滴的单元脉冲。在基值期间将发生二次过零，先发生EP向EN转变和后发生EN向EP转变。这种电流波形的作用是在EP期间生成一个熔滴，并在脉冲后沿或基值期间过渡一个熔滴，这与DCPMIG焊一样，是很稳定的。另外，EN比率是可调的。随着极性的变化，电弧形态、焊丝加热、熔滴过渡及熔池行为都将发生变化，如图6-105所示。

图6-105 MIG焊不同极性的电弧形态、熔滴过渡及熔深示意图

a）DCEP极性 b）DCEN极性 c）AC变极性

铝合金DCEPMIG焊时焊丝接正、工件接负，这时，一方面电弧对母材有阴极清理作用，另一方面电弧加热焊丝，并过渡熔滴。在电流较大时，电弧形态为钟罩形和喷射过渡。从焊丝向熔池方向有较大的等离子流力和较细熔滴的冲击力。这样一来，不仅把大量的热量带到熔池中，而且还向熔池施加了较大的挖掘力。因而产生了较大的熔深，且有指状熔深的特点，如图6-105a所示。

图6-105b为铝合金DCENMIG焊的情况，电弧基本上成束状，熔滴较大。铝焊丝为阴极，由于阴极斑点将自动寻找氧化膜。当焊丝端部的氧化膜被击碎之后，阴极斑点将再寻找新的氧化膜，则电弧的阴极斑点必将沿焊丝上爬，上爬高度通常能达到10～15mm。这样一来，焊丝为阴极时将从电弧获得更大的热量。一为焊丝作为冷阴极，阴极压降大，则产热高。二为焊丝端头被电弧所包覆，则电弧弧柱的高温直接向焊丝辐射，而获得更多的电弧热。总之，当焊丝接负时，焊丝的熔化速度更高，大约为EP极性时的1.5倍。相反，在熔池一侧为正极性，产热较少又没有去除氧化膜的功能，熔深很浅。

图6-105c为交流MIG焊，又因电弧为交流供电，电流极性不断变化，所以又称为变极性MIG焊（VPMIG焊）。电弧形态和焊缝熔深等特性均介于DCEN和DCEP之间。但是随着EN比率的增加，将更趋向于DCEN的特点，如熔深变浅和提高了搭桥性能，有利于焊接薄铝板。总之，可以根据铝合金板厚的不同，调整EN比率，取得合适的工艺性能。

2.VPPMIG焊工艺特性

（1）交流电流过零后的再引弧问题 大家知道交流电流过零时电弧将熄灭。这一现象交流TIG焊时也同样发生，尤其在TIG焊EP时，铝焊件为负极，铝的熔点低，导热性又好，是典型的冷阴极。为了能再引弧，这时往往采用两种方法，一是电流过零后，施加较大的电压脉冲，一般需要200～300V才能可靠地再引燃电弧。另一种是在电流过零前，先施加电流脉冲，为的是提高电弧电离度，当电流过零后，由于电弧的电离度仍较高，所以这时利用较低的再引燃电压再引燃电弧，如图6-106所示。

对于一般正弦波交流电流，电流较小时，再引弧电压U_r为300V左右，而逆变式方波交流电源的再引燃电压U_r为100V左右，当电流较大时，U_r可以降到50V以下。

VPPMIG电弧特点是双冷阴极，焊件及焊丝两个电极都是铝合金。另外，该法在变换极性时，都发生在基值电流条件下。这样一来，增加了电弧再引燃的困难。不论是焊丝，还是焊件为阴极时，都需要施加同步脉冲。这个脉冲电压的大小还与电压上升速度有关，当电压上升速度越快时，则就可能在电弧空间保持较高的电离度时接受电压脉冲，所以越容易再引燃。例如，当稳弧脉冲电压上升率为84V/μs时，再引燃电压为328V以上；当电压上升率为97.7V/μs时，再引燃电压为293V以上；当电压上升率更快，如为117.6V/μs时，脉冲电压为80V以上。

（2）EN比率变化对焊缝成形的影响 EN比率变化对焊缝成形的影响如图6-107所示。相反，EN比率与焊丝熔化速度的关系如图6-108所示。在相同焊接电流的情况下，随着EN比率的增加，焊丝熔化速度增大。这说明焊丝熔化系数增大，如图6-108所示，在相同条件下，MIG焊时阴极压降比阳极压降大，则阴极产热高，所以在EN比率增大时，焊丝熔化快。

图6-106 稳定电弧的最低再引燃电压与电流的关系

1—正弦波交流 2—晶闸管式交流 3—逆变式方波交流(www.xing528.com)

（3）改变EN比率能控制熔深的原因 大量试验证实了改变EN比率能够控制熔深，如图6-109所示，这个试验条件是送丝速度v_f=600cm/min，焊接速度v_w=60cm/min，试验过程中是不变的。熔深发生变化的主要原因有两个，首先，随着EN比率增加，焊丝为负极，阴极斑点沿焊丝旋转上爬，电弧不稳，同时影响到指向焊件的等离子流的稳定性，也就是减小了等离子流对熔池的压力。同时电流很小，仅为基值电流，所以总的来说，EN比率增大时，母材的熔深减小。

图6-107 调节EN比率控制焊缝成形

图6-108 EN比率与焊丝熔化速度的关系

图6-109 交流脉冲MIG焊EN比率不同时熔深与焊接电流的关系

（v_f=600cm/min，v_w=60cm/min）

（4）ACPMIG焊与DCPMIG焊对搭接接头焊缝成形的影响 铝合金薄板焊件很多都采用搭接接头。但是许多焊接方法对薄板之间的间隙十分敏感，如图6-110所示。图6-110中DC脉冲焊法焊接搭接焊缝时，熔深较大，下板易被烧穿，而上板由于搭接性不好而烧断。AC脉冲焊因熔深浅而不易产生烧穿和烧断的问题，当间隙达到1.5mm时，也能正常焊接。DC脉冲焊法在间隙为0时还能焊接上，当间隙达到0.5mm时已经出现烧穿的趋势。

（5）EN比率越大则焊接变形越小 通常薄板铝合金焊接变形比较大，这是一个令人关注的问题。有人设计了如下的测试变形方法：焊前将300mm×100mm×3mm的铝镁合金试件用夹具夹紧两端，然后进行堆焊，焊后立即去除夹具，试件发生自由变形。之后测定其挠曲变形的大小，结果是随着EN比率的增加，挠曲变形减小。例如40%的EN比率，其变形量与DC脉冲焊相比较大约降低了45%，如图6-111所示。

图6-110 直流脉冲与交流脉冲焊可焊接头间隙的比较

图6-111 约束变形与AC脉冲焊的关系

大家知道，焊接变形的大小决定于焊接热输入。热输入是利用热电偶在基本金属的表面测定其在焊接时的峰值温度，其结果如图6-112所示。可见，随着EN比率的增加，峰值温度（即热输入）降低，例如40%的EN比率，其峰值温度与DC脉冲焊相比降低了140℃。

在焊接搭接接头角焊缝时，上、下板之间的间隙对焊接过程影响很大，通过调节EN比率可减小间隙波动的影响，同时EN比率大时，搭接的上板熔化少、下板熔深浅，从而使焊接的搭桥性能得到改善。

3.VPPMIG焊设备

VPPMIG焊接设备系统主要包括五部分：主电路、高压稳弧电路、控制电路、送丝系统和参数给定与显示电路。VPPMIG焊接设备系统框图如图6-113所示。其中主电路包括一次逆变、二次逆变电路，控制电路包括DSP控制中心、一次和二次逆变的驱动电路、高压稳弧驱动电路、保护电路、电压和电流反馈电路。参数给定和显示电路的单片机控制，通过串口通信与DSP实现数据交换。

VPPMIG焊控制系统采用软件编程实现。TI公司为TMS320F2812数字信号处理器提供了CCS2000软件开发环境。软件的程序用可读性强的C语言编程，并采用了模块化结构模式，具有可调节性强、扩展性强和适应性强的特点。

图6-112 通过调节ACPMIG焊的EN比率控制热输入

图6-113 VPPMIG焊接设备系统框图

软件部分由以下几部分组成：主程序、系统初始化程序、键盘扫描程序、引弧程序、焊接程序、短路解除程序、断弧再引弧程序和收弧程序等（见图6-114）。

图6-114 焊接过程控制主程序流程图