交流脉冲MIG焊接电弧及其控制

交流脉冲MIG焊接电弧及其控制

杭争翔，李利

（沈阳工业大学，沈阳110023）

摘要在分析DCEP MIG焊及DCEN MIG焊电弧行为的基础上设计AC PMIG焊的控制模式。AC PMIG焊由EP极性及EN极性交替切换构成。EN极性时只是基值电流，电弧在焊丝端存在跳动及上爬现象。随着EN极性时间增加，焊丝端液体金属聚集、直径增加，显示出EN极性电弧对焊丝的熔化作用。控制合适的EN极性时间及电流值，不形成熔滴过渡现象，焊接过程稳定。EP极性时由基值时间及脉冲时间构成，脉冲电流时，电弧烁亮区呈现典型的钟罩形烁亮区，脉冲电流促使熔滴柔顺过渡，能够实现一脉一滴控制效果。在一定的送丝速度及焊接速度的条件下，AC PMIG焊接铝合金的焊缝熔深随EN比率增加而减小。关键词：交流；MIG；电弧；控制

0 前言

交流MIG焊接工艺早就被提出并且有一些研究工作，比较近期的研究工作是双凹形焊接电流控制方案，解决的主要问题是以交流电弧克服直流电弧的磁偏吹[1][2]。

关于直流且焊丝为正（DCEP）的MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性已经有很多的研究工作。关于直流且焊丝为负（DCEN）MIG焊的电弧物理、熔滴过渡特性及焊接工艺特性的研究工作也有一些[3]。

DCEP 脉冲MIG（PMIG）电弧稳定，电弧力有利于熔滴过渡，电弧穿透力强，焊缝熔深大，焊接薄板时容易出现熔池下塌现象。DCEN MIG焊由于焊丝是阴极，阴极斑点在焊丝端上下跳动，电弧稳定性不好，电弧力不利于熔滴过渡，焊缝熔深浅，容易产生融合不良、凸焊道等焊接缺陷，不能稳定焊接[3]。

交流脉冲熔化极氩弧焊（AC PMIG）电弧由EP极性及EN极性构成，可以看成是交替切换DCEP PMIG电弧及DCEN MIG电弧形成的。合理利用DCEP PMIG及DCEN MIG电弧的优势，设计AC PMIG焊接电弧的控制模式，保证焊接电弧的稳定性及熔滴过渡过程的稳定性，保证焊接过程的稳定性。切换DCEP PMIG与DCEN MIG构成的AC PMIG焊，其电弧力及电弧热的特点应该介于DCEP PMIG及DCEN MIG之间，其焊缝熔深应该介于二者之间，其最大的焊缝熔深是DCEP PMIG的焊缝熔深，这样这种焊接工艺将有利于焊接薄板。随着时代发展，应产品轻量化要求，薄板特别是铝合金薄板被大量应用，其制造过程中有很多薄板需要电弧焊。焊接薄板时最容易出现的质量问题是熔池下塌。为此需要研究焊接熔池

浅、焊接速度快的焊接工艺，稳定焊接质量的同时，提高焊接效率。

另外焊接薄板时焊接电流较小，电弧挺度弱，电弧容易受电弧磁偏吹的影响，AC PMIG交流电弧可以克服直流电弧的磁偏吹，有利于稳定焊接过程及焊接质量。

1 AC PMIG焊接电流波形控制模式

图1 AC PMIG焊接电流波形控制模式

图1是AC PMIG正常焊接时的电弧电流波形控制模式图。AC PMIG交流电弧由EP极性及EN极性构成。EP极性电弧有利于熔滴过渡，EN极性电弧不利于熔滴过渡，所以熔滴过渡过程设计在电弧EP极性时间里。射滴过渡是最好的熔滴过渡形式，为了在较宽焊接规范下实现这种熔滴过渡形式，以电弧EP极性脉冲电流控制实现。在一个EP极性时间里只有一个脉冲电流，控制脉冲电流I p及脉冲时间T p，实现一个脉冲过渡一个熔滴。一个交流周期时间TC内，除脉冲时间T p之外，其余时间均为基值时间（包括EP极性基值时间T b1、T b2，EN极性时间T EN。如图所示，基值时间内的电流值I b1、I b2、I EN要小，至少不能产生熔滴过渡现象。图1表明，AC PMIG的脉冲频率与交流频率一致，亦称交流脉冲频率，熔滴过渡控制形式是一周一脉一滴。

AC PMIG焊的主要参数是焊接电流，其次的参数是交流电流负极性比率EN％即EN极性电流在交流周期电流中的比率。

AC PMIG焊的弧焊电源用双逆变弧焊电源，由80C196KC控制实现。

2 AC PMIG焊接电弧行为及熔滴过渡

1－Ia 140 A/div，2－Ua 32 V/div,t 50 ms/div

图2 AC PMIG焊接铝合金的焊接

电流电压波形

用自主研制的AC PMIG焊接设备进行焊接实验。图2是AC PMIG焊接铝合金时的电弧电

流波形。焊接实验时，用Φ1.2 mm Al －Si5铝合金焊丝，焊接工件材质LF6，氩气流量9 l/min ，焊接速度0.380 m/min 。

对应图2 的AC PMIG 焊接过程，进行高速摄像，摄像速度3000 幅/秒。分析高速摄像图片，研究AC PMIG 焊接电弧行为及熔滴过渡特征。

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图3 AC PMIG 焊电弧形态高速摄像图片

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图4 AC PMIG 焊电弧EN 极性时的

高速摄像图片

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图5 AC PMIG焊的连续高速摄像图片

图3是AC PMIG焊电弧形态高速摄像图片。图3（1）是EN极性时的电弧形态图片，仔细分析EN极性时的电弧形态，焊丝端侧面存在电弧而呈现亮区，焊丝端侧面的亮区并不是以焊丝轴线对称分布，亮区沿焊丝端侧面存在跳动现象。并且电弧沿焊丝端存在上爬现象，上爬高度约1～1.5倍焊丝直径。电弧EN极性时间内，焊丝作为阴极发射电子，焊丝端的阴极斑点具有破碎氧化膜的作用，焊丝端的氧化膜被破碎后，电弧难以在纯金属表明滞留，自动寻找逸出功较低的氧化物处，从而产生跳动现象。由于纯Ar保护时电弧的电场强度较低，阴极斑点容易上爬。当阴极斑点沿焊丝侧壁上爬到一定高度后，阴极斑点又跳到焊丝端部，形成电弧在焊丝端上下跳动现象以及在焊丝端周围存在跳动现象。由于电弧电流比较小，电弧亮区的电离度以及温度不是很高，电弧亮区的边界线不很明显。

图3（2）是EP极性基值电流时的电弧形态图片，焊丝端周围没有电弧亮区，电弧亮区分布在焊丝端头及焊接工件之间，电弧亮区呈细束状形态。由于电弧电流较小，电弧亮区的电离度以及温度不是很高，细束状电弧亮区的边界线不很明显。这与DCEP PMIG焊时的基值电流时的电弧形态一致。

图3（3）是电弧EP极性脉冲电流时的电弧形态图片，电弧亮度明显加强呈现钟罩形烁亮区，