脉冲MAG焊接电信号分析及其对焊接工艺的影响

脉冲MAG焊接电信号分析及其对焊接工艺的影响

顾江

大静工业自动化（上海）有限公司

摘要：脉冲 MAG焊接是一种具有良好效果的新型焊接技术，通过在熔池中施加较大的脉宽和脉冲电流，达到快速熔池凝固、强化熔深的目的。采用脉冲 MAG焊接技术可以实现厚板、异形件及其他特殊形状的焊缝成形，提高生产效率，降低生产成本。基于此本文对脉冲MAG焊接电信号和对焊接工艺的影响进行详细分析，期望可以为同行业者进行参考。

关键词：脉冲MAG焊接电信号；焊接工艺；影响

引言：随着现代工业技术的不断发展，金属材料在焊接生产中的应用也越来越广泛，其中钢材料占据了焊接中很大份额；并且在一些特殊的构件中，如空间曲面结构对焊接工艺和生产效率都要求很高。脉冲 MAG焊接是一种新型的快速焊接技术，其工作原理是通过在电弧的高速运动下形成高速熔池，并不断地施加较大的脉宽电流，达到强化熔深效果；在脉冲 MAG工艺条件下，电弧温度、电弧电压以及熔池内金属的温度等参数随工艺条件而变化。

一、脉冲 MAG焊接过程分析

脉冲 MAG焊接技术通过施加高电压，脉冲电流和电弧产生高温来实现焊接过程。电弧电流的大小主要取决于所选择的焊接工艺参数：电弧脉宽、焊丝直径以及接头厚度。电弧产生的方式包括直接弧和间接弧，而间接弧是由多条弧柱形成的。通过研究脉冲 MAG焊接过程中电弧产生方式和焊缝成形特点，可以了解在一定条件下不同弧柱之间产生的不同电弧脉宽，以及焊缝成形情况。

脉冲 MAG焊接过程中，通过对熔池特征和工艺参数与电信号之间关系进行仿真研究，可以进一步了解脉冲 MAG熔池与工艺参数之间关系及变化规律。通过对脉冲 MAG焊接过程中电弧、熔滴、焊缝特征以及工艺参数与电信号之间关系进行仿真研究，可以进一步了解影响电信号产生方式和大小的因素。

本文通过数值仿真计算得到不同条件下电弧电流波形、电压波形和电流，然后对脉冲 MAG焊接过程中熔池特征及工艺参数的关系进行分析，总结出工艺参数对电信号的影响规律，为实现脉冲电流参数化焊枪设计提供理论依据。

（一）电弧产生过程模拟仿真分析

通过当前研究表明：当电弧电压为10V时，随着电流的增加，当达到40A时出现峰值电流为12A左右；当电流在40至100之间时呈现出逐渐减小；在100~300间时表现出持续增大。

（二）熔滴形成过程仿真分析

通过改变不同直径焊丝的初始条件（压力）和时间单位）以及熔池内部流动状态等工艺参数建立一个模型，分析熔滴形成过程仿真情况。实验平台模拟在给定实验条件下熔池特征及焊接工艺条件得到以下结论：当电弧电压为10V时出现峰值电流为12A左右；当电流在40A以下时达到峰值电流为12A左右；当电流在40A以上时达到峰值电量约12 KWh左右；当焊接速度较快时熔滴直径较小。

建立不同熔池特征的仿真模型，并以上述三个数值进行对比分析。计算结果表明：随着脉宽增大、熔深减小、母材电阻率增大时焊缝成形效果变好。通过改变焊接速度和熔池温度可以调整电弧的参数来影响熔池特征、熔深和母材电阻率分布等；采用大电流脉冲来提高焊缝成形速度和熔深的效果也很明显；同时还可以减小熔池内部流动速度来改善熔滴形态，从而改变焊缝成形。

（三）焊丝直径变化对脉冲 MAG焊接过程影响分析

研究结果表明：随着焊丝直径减小时脉冲 MAG焊接质量提高；当脉宽达到40A左右时对焊缝成形产生不利影响；脉宽继续增加而焊接速度继续减小则会导致熔池内流动状态恶化。通过改变焊丝直径能够使熔深增大、焊缝形状变好、焊缝成型质量提高。

（四）脉冲 MAG焊接工艺参数与电信号之间关系分析

研究结果表明：脉冲 MAG焊接可以使焊丝横截面与电弧横截面相比减小，熔深增加；增大焊接速度可以提高熔池压力但会使电弧变短并产生飞溅；适当增加脉宽有助于减少熔深但将会降低电弧压力，同时在一定范围内增大脉宽有利于提高弧电流但增大熔深效果不明显；增大电流会使熔池内部流动速度更快和提高熔池的密度，从而可以增大熔深效果。

二、电信号分析

在脉冲 MAG焊接中，由于电弧电流非常大，因此电流信号中含有许多有用信息。为了分析工艺参数对脉冲 MAG焊接电信号的影响，必须对电流信号进行分析。

首先，对电弧波形进行处理。根据电弧电压－电流曲线和电弧形态的特点，工作人员通过实验得到了电弧弧压、熔深和熔滴直径的分布曲线，可以进一步分析电弧电压－电流曲线，以便于得到不同的脉冲 MAG温度曲线。其次，根据电弧流形，可以获得焊接工艺参数与电流波形之间的关系，从而预测工艺参数将影响焊接熔深和熔滴直径等。

利用电信号分析方法对工艺参数进行仿真分析也是非常重要的。在仿真过程中会涉及许多因素，这些因素会相互影响。

（一）电源功率与电压之间的关系

根据经验可知，电源功率越大，电压波形越平稳；功率相同时电流波形越稳定；电压幅值越小则越不稳定；随着脉冲电流幅值增加，则电压幅值也相应增加。因此可以通过调节电源功率来控制脉冲电流值的大小。电弧长度直接影响到电弧产生和稳定燃烧时间长短，因此必须准确测量弧长并加以控制。电弧长测量可采用电阻法、电容法等多种测量方法；当电弧长小于或等于5 mm时可以采用电容法或电压法等测量方法。

（二）电信号波形和电信号之间的关系

脉冲焊接电流电压信号与实际熔池深度有关。由于焊缝厚度大，熔深浅；在相同电弧参数下，随着焊缝深度增加焊接电流也逐渐增大；并且随着熔深增加，使得焊接电流变小。当焊缝长度较大时可以采用电阻法测量电弧长度；当焊接熔池很浅时可以通过电容法测量电弧宽度来判断焊缝长度对电极运动的影响。脉冲 MAG焊接技术通过电信号分析获得工艺参数信息；采用数学方法进行仿真和分析，并根据实验结果调整参数以获得最优工艺参数匹配方案；并在不同工艺参数下对比模拟获得的信号规律以及仿真结果与实验结果的差异来了解所采用的技术在实际应用中是否可行[1]。

三、电信号特征参数的选取研究

焊接电流、焊接熔池尺寸和电极压力对脉冲 MAG焊接电信号都有很大的影响，因此有必要分析上述电信号的特点及其与电弧特征、熔滴特征和焊缝特征的关系。电弧在脉冲 MAG焊接中是一个复杂的过程，包括：电弧在熔化焊丝和材料之间流动；熔滴产生，并且形成焊缝；在熔池内产生液态金属。根据以上电信号特点，可以用三个主要变量来描述：电流、熔池脉宽、电信号波形。

第一，电流：是脉冲 MAG焊接中脉冲电流产生的原因。

第二，熔池脉宽：即是由于电弧的不断燃烧而导致熔池内形成过多液体金属的时间。

第三，电信号波形与电流波形比较，后者具有很强的方向性，因此采用电压波形作为特征参数来分析脉冲 MAG焊接电信号。

通过对三个不同工艺参数下焊丝直径、电弧脉宽和熔池深度进行仿真分析，其结果表明：在相同焊接工艺参数下，随着电弧电压增加，脉宽越小；也就是说当电压达到某一数值时，电弧脉宽就会随着相对减小；而随着电弧直径和熔池深增加，电流增大，当电流达到某一数值时，相应的电弧脉宽会变大。

当脉冲 MAG焊接电流为50A时，随着电弧脉宽减小，电弧电压增大，但当电流达到200A以上时，电弧电压反而减小。分析原因是：随着熔池深度增加（即随着弧柱长度增加），会导致熔池中液态金属的增加，使得熔池脉宽变大。这是由于：在熔池深度变深的情况下，金属液与金属之间的界面会变得更光滑，因而使得熔池脉宽增大。

随着电弧电压减小（当电弧电压达到某一数值时），电弧能量会变小（当焊丝直径减小、熔池深增大时）；电弧电流增大则电弧脉宽就会变大。因此当脉冲 MAG焊接工艺参数为50A/1.2 mm/0.3 mm/0.4 mm时（焊丝直径为φ8+φ2）时，电弧脉宽最大。由于电感值和电抗是由脉冲电流中的电压信号和电阻信号确定的，因此通过改变脉冲电流波形来改变这些参数是可行的。但对于焊接熔池深度较深（从焊丝到熔池）时需要一定程度地改变其波形来减少熔池中液态金属的增多。

四、对焊接工艺的影响

（一）电弧稳定性和引弧形

  首先，就电弧的引弧形而言，电离位低的气体易于离子化，而电弧的生成和保持电弧的稳定性较好。Ar基气体较 He基气体更易于引弧，若加入CO2、02，可使引弧性能更佳。但随着CO2的加入量越来越大，引弧后的熔滴过渡形式也会影响到电弧的引弧性能。其次，就电弧的稳定性而言，尽管以上提到的电离势对电弧的影响有一定的影响，但这主要取决于电弧极点的稳定性。在氧化性气体的作用下，在熔池中生成一种稳定的氧化物，这是电弧稳定的必要条件。这样，在保护气体中加入02可以改善电弧的稳定性。

（二）焊缝成形和飞溅

保护气体的选用对焊接成形非常关键，纯铝的熔化不仅使焊缝具有熔深，而且容易出现裂缝，并且流动性较差，不利于形成焊接曲面；Ar+CO_2气体的掺杂使得焊缝成形系数低、表面形状好、飞溅少，是一种适用于窄缝的焊接工艺，但O2的添加会导致飞溅的增多，因此，在钢铁材料中，通常采用 Ar+CO2作为焊接保护气。

（三）气孔问题

MAG焊接时，保护气体对大气的保护作用，对高温金属的保护作用较差，否则会造成气孔和坑洞。在 Ar+CO2的混合气体中，CO2的含量为2%（体积百分比）,CO2含量为10%时，气孔显著减小。在CO2的加入下，气孔的比率逐渐降低。如果采用纯CO2，则可以认为没有气孔。

（四）对焊缝成型的影响

电弧电压越高，弧长越长，电弧的体积越大，电弧的亮度也就越高。另一方面，随着电弧压力的降低，熔滴的运动轨迹也会发生不规则的变化，在一定程度上会导致熔点在焊接过程中的飞溅增多，从而对成形产生不利的影响。在同一工艺条件下，用不同的电弧电压进行焊接成形，结果表明，电弧电压越高，焊接表面越不平整，成形越不稳定。这主要是由于电弧电压升高、弧长增大、电弧扩张、电弧压力降低、熔滴过度受影响、熔宽增大等原因。熔宽随电弧电压的增大而增大，但熔化深度的变化不显著，残余高度下降，成形系数增大。可以看出，尽管有焊接飞溅，但其外形尺寸还是很好的，熔融深度较浅，焊缝与母材的过渡面比较光滑，焊缝成形较好[2]。

结语：目前，国内外对脉冲 MAG焊接过程中的电信号进行了大量的研究，并取得了一系列成果。但是由于技术上的原因，还没有真正形成一整套完整的理论体系。对于电弧、熔滴、焊缝和熔池金属这四个阶段不同工艺参数下电信号的特征进行研究是非常必要的，也是脉冲 MAG焊接成功应用的关键因素。期望相关工作人员可以加大力度对其研究，为此方面的工作提供最大化的帮助。

参考文献：

[1]脉冲MIG焊接工艺与质量控制探析[J].张健.中国设备工程.2018(22).

[2]MIG焊电流参数分析及稳流控制研究[D].裴东东.沈阳大学.2019.