Tandem双丝气保焊相位控制方法研究

焊接工艺
苏立虎：Tandem 双丝气保焊相位控制方法研究
第6期
为保证最佳焊接效果，主从机相位应实时进行 调整，调整原则是保证主机熔滴脱落后，从机再输 出脉冲。在实际焊接前，焊接电源应根据设定电压 的变化适当调整相位匹配时刻。当设定电压高于一 元化电压时，脉冲能量变高，此时熔滴变大，与工 件距离变短，脱落时刻前移，相位匹配时机可以不 调整，当设定电压低于一元化电压时，脉冲能力变 低，熔滴变小，与工件距离变长，脱落时刻后移，根 据电压的变化量，此时相位匹配时刻应适当后移。 在焊接过程中，根据实际电流与设定电流的偏差来 判断干伸长的变化，然后再相应地调整相位匹配时 机。当实际电流小于设定电流时，实际干伸长变长， 由于焊丝的电阻热，引起脉冲输出能量的升高，熔 滴变大，脱落时刻前移，此时相位匹配时刻无需调 整，当实际电流大于设定电流时，实际使用的干伸 长变短，脉冲输出能量降低，熔滴脱落后移，此时 应根据实际电流与设定电流的偏差量，实时调整相 位匹配时机。 调整相位的匹配时刻分为两大部分，一是焊接 前根据主从机设定电压的变化进行调整，二是焊接 过程中根据干伸长的变化进行调整。 首先，确定标准状态下的相位匹配时刻。根据 主机设定电流、主机对应的峰值时间、从机设定电 流等参数计算出相位匹配时刻，其中 K1 为主机设 定电流的相位匹配系数。
摘要：研究分析了 Tandem 双丝脉冲气保焊主从机不同相位匹配对电弧的影响。主从机双丝协调焊接
时，相位匹配有四大阶段，模式 1 是主机与从机同时输出脉冲，此时主从机脉冲为同相位匹配；模式 2
是主机到达脉冲峰值阶段，从机开始输出脉冲；模式 3 是主机在脉冲下降阶段，从机输出脉冲；模式 4
是主机在基值阶段，从机开始输出脉冲。采用松下全新开发的第二代双丝焊接系统进行焊接试验，结
同理可得从机电流元对主机电流元的作用力为
b 模式 2
c 模式 3
d 模式 4 图 3 相位匹配模式 Fig.3 Phase matching mode
流、电压、焊接速度等保持不变的前提下进行焊接 测试。
2.3 试验分析
通过实际焊接，在主机脉冲的不同阶段分别触 发相位协调信号，观察主从机两电弧状态，通过波 形记录仪采集主从机电流、电压、相位匹配时刻等 波形。 在实际焊接时，流过两根焊丝的电流是同向 的，两电弧之间互相吸引，根据毕奥 - 沙法尔定律， 主机电流元 ILeaddlLead 在其周围空间任意一点产生的 磁场为
收稿日期：2021-01-07 作者简介：苏立虎（1986—），男，硕士，工程师，主要从事焊接电源的电弧控制和研究。E-mail：sulihu@。
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焊接工艺
第 51 卷
调节，但两焊接电源之间需要相位协调、通信，结 构较复杂，但由于焊接效果好，市场应用范围很广， 国内外研究该技术也较多。单电源双丝技术目前市 场应用较少，对机械结构要求较高，需要大功率的 电源 [3]。
果表明，当采用模式 1 时，由于主从机两电弧同时处于峰值阶段且完全重合，干扰较大，造成较大的飞
溅；模式 2 时，主从机峰值阶段有部分重合，也存在电弧干扰，比模式 1 干扰小，也会有较大的飞溅；模
式 3 时，主机脉冲熔滴开始脱落，如果在主机脉冲下降沿的初期，从机刚开始输出脉冲，会对主机的熔
滴过渡产生电弧冲击，产生飞溅，飞溅比模式 1 和模式 2 小，在主机下降沿接近基值阶段从机再输出脉
2 试验设备、内容及分析
2.1 试验设备
试 验 设 备 采 用 唐 山 松 下 最 新 开 发 的 第 二 代 Tandem 双丝焊接系统（见图 2），系统包括 2 台全数 字逆变焊机、1 台通信接口装置、1 套镜像送丝机、 1 台机器人、1 把双丝焊枪及双丝焊接专用软件。
a Tandem 串联
主机设定电流I /A
表 1 不同相位匹配模式焊接试验参数 Table 1 Welding test of different phase matching modes
主机设定电压U/V 从机设定电流I/A 从机设定电压U/V 焊接速度v/m·min-1
相位匹配时刻
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1.0
主机脉冲上升阶段
由上述公式可知，两电流之间的作用力与两电 流的乘积成正比，主从机实际电流越大，所受到的 作用力就越大。 针对主从机相位匹配的 4 种模式进行焊接试 验，并记录相关波形，如图 4 所示，从上至下依次为： CH1 主机电压波形、CH7 从机电压波形、CH3 相位 信号、CH8 从机电流波形、CH2 主机电流波形。 当主从机相位匹配使用模式 1 时，主从机电流 脉冲峰值阶段完全重叠，从波形可看出两电流熔滴 过渡时机不均匀，有时出现电压较低，较大的短路， 进而产生大颗粒飞溅，有时电压合适，飞溅不大， 但在焊接过程中两电弧弧长时长时短，焊接不稳定 （见图 4a）。当使用模式 2 时，主从机电流脉冲峰值 阶段部分重合，电流波形比较均匀一致，此时电压 尤其是到基值电压阶段，非常不稳定，此时由于主 从机一部分峰值重合，作用力较大，一部分峰值阶 段与基值阶段重合，对基值的作用力较大，引起基 值电压的上升，实际观测电弧弧长较长，电弧抗干 扰能力较差（见图 4b）。使用模式 3 时，主从机峰值 阶段不重合，距离较近，主机处于熔滴将要脱落阶 段，从机刚输出脉冲，由于从机电流的存在，对主 机电流产生吸引力，造成主机熔滴脱落发生偏移， 引起电压的不稳定，弧长不稳定，主机弧长的变化 又影响从机熔滴的大小，此时可能会发生较大的液 桥爆断，产生大颗粒飞溅（见图 4c），如果模式 3 在 主机熔滴脱落后进行相位匹配，焊接效果较好。使 用模式 4 时，主机熔滴已经脱落完成，处于基值维 弧阶段，此时从机输出脉冲，两电弧之间虽有作用 力，但影响不大，实际焊接电流、电压波形非常整
主机
干伸长
设定电压U /V
/mm
从机 设定电流I /A
从机 设定电压U /V
焊接速度 v /m·min-1
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相位匹配时刻
主机脉冲基值阶段 主机脉冲基值阶段 主机脉冲基值阶段
标准状态即设定电压为一元化电压，实际焊接 电流等于设定电流，调整相位匹配时机处于脉冲基 值阶段，此时主机熔滴已经脱落，电弧稳定。当主机 设定电压增加 3 V 时，不影响主从机两电弧的稳定 性，只是由于主机设定电压变大，实际焊接电压升 高。当主机设定电压降低 3 V 时，发生较大短路，从
b TwinsArc 并联
c 单电源 图 1 双丝结构 Fig.1 Twin wire structure
图 2 双丝焊接系统构成 Fig.2 Composition of double wire welding system
2.2 试验内容
Tandem 双丝焊接是两根焊丝前后排列，根据 实际焊接方向进行区分。与焊接方向一致且在前面 的称作前丝，另外一根为后丝 [4]。一般前丝设定电 流大，有利于形成较大的熔深，后丝电流小，起到填 充盖面的作用，两根焊丝互相加热充分利用电弧的 能量，实现较大的熔敷率 [5]。为保证焊接质量和电 弧的稳定性，需要前后丝两电弧匹配合适的相位， 前后丝也称为主机和从机，为研究主从机不同相位 匹配对电弧的影响进行焊接试验。试验用焊丝为神 钢 MG-51T 丝径为 1.2 mm 的普通碳钢焊丝，焊接 试板为普通 Q235，板厚 8 mm，试验参数如表 1 所示。
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主机脉冲峰值阶段
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主机脉冲下降阶段
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主机脉冲基值阶段
相位匹配时刻按照脉冲阶段分为 4 种，如表 1 所示，主从机相位匹配的 4 种模式如图 3 所示。相 位匹配的时刻实现方式为主机在特定时刻发送相 位协调信号，从机接收到相位协调信号后，开始重 新输出脉冲，为接收到相位协调信号，维持基值阶
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焊接工艺
第 51 卷
a 模式 1
b 模式 2
c 模式 3
d 模式 4
图 4 主从机实际焊接电流电压波形 Fig.4 Actual welding current and voltage waveform of master and slave
齐，电弧稳定，焊接效果很好，波形见图 4d。
3 相位匹配方法
由试验可知，当主机发生熔滴脱落后再进行相 位匹配，此时主从机电弧之间的作用力最小，干扰 也最小，焊接效果好。在实际焊接过程中，难免会发
生设定电压、干伸长等外界扰动。当主机设定电压、 干伸长发生变化时进行试验。主机设定电压变化焊 接试验参数如表 2 所示，主机干伸长变化焊接试验 参数如表 3 所示，为验证单一变量的影响，其他参 数保持不变，表 2、表 3 中第一行为主从机双丝焊 接标准状态。
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主机脉冲基值阶段
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1.0
主机脉冲基值阶段
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主机脉冲基值阶段
主机 设定电流I /A
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表 3 主机干伸长变化焊接试验参数 Table 3 Main engine dry elongation change welding test table
关键词：双丝；相位；主机；从机；峰值；基值
中图分类号：TG434.5
文献标志码：B 文章编号：1001-2003(2021)06-0057-06
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.10
0 前言
双丝焊接是近年来推出的高速高效焊接方法， 通过两台送丝机分别将焊丝送入到一个熔池中 [1]， 具有热影响区窄、焊接变形小、缺陷少等特征，可采 用双丝埋弧焊、双丝气保焊，是高速、高效、高质量 的焊接工艺方法，双丝自动焊在国内外的应用越来 越广泛 [2]。文中针对主从机相位匹配的时刻进行试 验研究，当主从机设定电压或干伸长发生变化时， 相位匹配时刻应进行调整，为此提出了一种自动匹 配相位时刻的方法。
苏立虎：Tandem 双丝气保焊相位控制方法研究
第6期
a 模式 1
由安培定律可知，置于主机电流元 ILeaddlLead 的 磁场的从机电流元 ITraildlTrail 所受到的安培力为 dF= ITraildlTrail×dBLead 若用 r12 表示 ILeaddlLead 指向的矢径，用 r21 表示 ITraildlTrail 指向的矢径，并且令 r=r12=r21，此时主机电 流元对从机电流元的作用力为
第51卷 第6期 2021年6月
Electric Welding Machine
Vol.51 No.6 Jun. 2021
本文参考文献引用格式：苏立虎 . Tandem 双丝气保焊相位控制方法研究 [J]. 电焊机，2021，51（6）：57-62.
Tandem 双丝气保焊相位控制 方法研究
苏立虎
（唐山松下产业机器有限公司，河北 唐山 063020）
冲，飞溅小，电弧稳定；模式 4 时，主机进入基值阶段处于维弧时期，电流较小，此时从机输出脉冲，主
机电弧可能被拉断，如果主机电弧正常，此时焊接效果良好，飞溅小，成形美观。综合 4 种模式，当主
机下降阶段，熔滴脱落完成后，从机输出脉冲，此时相位匹配最合适，焊接效果最好。当主机设定电压
或干伸长发生变化时，相位匹配时刻自动调整。
1 双丝焊接介绍
双丝焊接技术是通过采用一台电源或两台电 源实现同时熔化两根焊丝的焊接方法。根据使用 电源台数的不同，可分为单电源双丝（见图 1a）、双 电源双丝两种；根据是否共电极，双电源双丝又可 分为 Tandem 串联双丝（见图 1b）和 TwinsArc 并联 双丝（见图 1c）。由于 TwinsArc 结构的双丝需采用 同相位模式，两电弧之间的干扰较大，市场应用较 少。Tandem 结构的双丝两个电极彼此独立，两台电 源的焊接电流、电压、送丝速度等参数可分别进行
表 2 主机设定电压变化焊接试验参数 Table 2 Welding test table for set voltage change of main engine
主机 设定电流I /A
主机
干伸长
设定电压U /V
Hale Waihona Puke /mm从机 设定电流I /A
从机 设定电压U /V
焊接速度 v /m·min-1
相位匹配时刻
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段，当基值阶段维持时间超过设定值后，本次脉冲 结束，重新输出新的脉冲信号。根据主机脉冲的上 升、峰值、下降、基值 4 个阶段，分别发送相位信号， 观察电弧，判断匹配时机是否适合。为验证相位匹 配时刻对焊接的影响，其他参数如主从机设定电
焊接工艺
短路发生时刻看，位置不一，大多数偏基值阶段，说 明熔滴脱落后移，电压也发生较大的不稳定。当干 伸长增加 3 mm 时，实际焊接电压升高，主从机电弧 依然保持稳定。当干伸长降低 3 mm 时，实际焊接电 流、电压波形均出现不稳定，与电压降低 3 V 时焊 接情况较类似。
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