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隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)快速進(jìn)步，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展特別是制造業(yè)的發(fā)展中，低能量焊接技術(shù)成為一種不可或缺的加工方式[1]。隨著節(jié)能、減材和降耗工業(yè)的形成與不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品的輕量化，薄板的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，同時(shí)需求量也逐漸增大。由于薄板結(jié)構(gòu)具備質(zhì)量輕、工藝性好和連接方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于許多類型的汽車制造中。對(duì)于汽車制造，薄板焊接是重要的加工過(guò)程，對(duì)應(yīng)的焊接方法有電阻焊、螺柱焊、氣體保護(hù)焊、釬焊、摩擦焊等[2]。薄板焊接對(duì)焊接熱輸入的要求十分嚴(yán)格，焊接過(guò)程中極易出現(xiàn)熱變形或者燒穿等缺陷，控制并降低焊接熱輸入可以減少焊接熱變形和防止燒穿，因此研究低能量焊接方法具有重要意義。新型低能量焊接技術(shù)（NewLowEnergyWeldingTe-chnology，以下簡(jiǎn)稱NLE）是一種新型焊接方法，它采用推拉送絲方式完成熔滴短路過(guò)渡，能有效降低焊接過(guò)程的熱輸入。在焊接過(guò)程中發(fā)生短路時(shí)，送絲電機(jī)反轉(zhuǎn)，依靠焊絲回抽的機(jī)械力完成熔滴過(guò)渡。在焊絲回抽過(guò)程中，控制電源輸出較小的焊接電流，從而降低焊接熱輸入和減少焊接飛濺，使焊接過(guò)程中對(duì)母材熱輸入較小，工件不易變形，NLE焊接適用于對(duì)熱輸入比較敏感的薄板焊接。本研究通過(guò)焊接試驗(yàn)深入研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊絲熔敷速度的影響規(guī)律。

1NLE焊接系統(tǒng)控制方案

焊絲運(yùn)動(dòng)示意如圖1所示，NLE焊接系統(tǒng)的熔滴過(guò)渡方式是通過(guò)機(jī)械力回抽焊絲實(shí)現(xiàn)的短路過(guò)渡形式。焊接過(guò)程的控制方案采用電源輸出電流與焊絲運(yùn)動(dòng)協(xié)同配合方式，通過(guò)波形控制使輸出電流配合焊絲的運(yùn)動(dòng)，保證焊接過(guò)程穩(wěn)定，進(jìn)而降低焊接過(guò)程的熱輸入，確保焊接過(guò)程幾乎無(wú)飛濺和焊縫成形良好[3]。圖1焊絲運(yùn)動(dòng)示意Fig.1WiremovementschematicNLE焊接系統(tǒng)控制方案示意如圖2所示，圖2a為焊接過(guò)程中的電壓波形，圖2b為燃弧和短路狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的焊絲運(yùn)動(dòng)狀況，圖2c為對(duì)應(yīng)的輸出電流波形。當(dāng)電弧電壓U大于某臨界值U0時(shí)判斷電弧處于燃弧狀態(tài)，當(dāng)U小于U0時(shí)為短路狀態(tài)。v為送絲速度，當(dāng)v＞0時(shí)為焊絲送進(jìn)狀態(tài)，v＜0時(shí)為焊絲回抽狀態(tài)。當(dāng)判斷為燃弧狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)并給定燃弧峰值電流I1，經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間I4后伺服電機(jī)以速度v1正轉(zhuǎn)即焊絲送進(jìn)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到保持時(shí)間T1時(shí)，焊接過(guò)程進(jìn)入燃弧后期，此時(shí)輸出較小的燃弧后期電流I2；當(dāng)檢測(cè)到短路狀態(tài)時(shí)，為了避免小橋爆斷產(chǎn)生飛濺，輸出小電流I3并且開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)時(shí)間達(dá)到T5時(shí)，伺服電機(jī)以速度v2反轉(zhuǎn)回抽焊絲，進(jìn)而熔滴被機(jī)械力拉斷完成短路過(guò)渡；當(dāng)時(shí)間為T(mén)3時(shí)，焊接過(guò)程進(jìn)入短路后期，此時(shí)焊接主電源需要輸出較大電流I4，此電流既有利于下一周期電弧的再引燃，又能促進(jìn)縮頸的產(chǎn)生，進(jìn)而降低焊接周期時(shí)間，提高焊接效率，當(dāng)焊接過(guò)程進(jìn)入下一個(gè)燃弧狀態(tài)，標(biāo)志著焊接過(guò)程一個(gè)周期的完成[4]。圖2NLE控制方案示意Fig.2ControlschemeschematicofNLE該焊接系統(tǒng)短路過(guò)渡時(shí)依靠機(jī)械拉力拉斷熔滴液橋，且短路時(shí)電流值較小，從而實(shí)現(xiàn)低能量焊接。本系統(tǒng)短路過(guò)渡均勻，送絲系統(tǒng)與焊接電源配合良好，整個(gè)焊接過(guò)程十分穩(wěn)定，幾乎無(wú)飛濺，焊縫均勻美觀。

2試驗(yàn)方案

首先找出能夠?qū)崿F(xiàn)基本焊接的參數(shù)范圍，然后分析主要焊接控制參數(shù)對(duì)焊絲熔敷速度的影響規(guī)律，最后找出較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證。NLE焊接工藝試驗(yàn)所用材料和選用參數(shù)如表1和表2所示。焊接工藝張玉印，等：新型低能量焊接工藝參數(shù)對(duì)熔敷速度的影響第在NLE焊接系統(tǒng)控制方案中，燃弧后期電流值I1選為50A，該值較小，主要作用是提供維持電弧加熱焊絲的基本能量，還可降低焊接過(guò)程中的熱輸入。短路前期電流值I3=40A，主要是避免較大電流流過(guò)短路前期小橋的情況出現(xiàn)，從而減少飛濺。保持時(shí)間T3=1ms，短路后期電流值I4=90A，此值較大，主要作用是提供能夠順利再引燃電弧的基值電流，并可以促進(jìn)縮頸的形成，提高焊接效率。

3控制參數(shù)對(duì)熔滴尺寸的影響規(guī)律

以單位時(shí)間內(nèi)焊絲熔化長(zhǎng)度來(lái)代表焊接的熔敷速度，通過(guò)調(diào)整控制方案中I1、T1、v1、T4、v2和T5的相互匹配來(lái)研究焊接過(guò)程中控制參數(shù)對(duì)熔敷速度的影響規(guī)律。3.1I1和T1對(duì)熔敷速度的影響規(guī)律控制方案中的I1為燃弧峰值電流，它能夠保證電弧順利的再引燃并促進(jìn)熔化焊絲形成熔滴以及加熱母材，燃弧峰值電流的保持時(shí)間為T(mén)1。I1和T1是熔化焊絲及向母材輸入能量的最主要參數(shù)，其作用類似于傳統(tǒng)的脈沖MIG焊中峰值電流Ip和峰值時(shí)間Tp[5]。焊接系統(tǒng)采用波形控制方案，燃弧初期電流值I1選擇150A、200A、250A和300A四個(gè)值，保持時(shí)間T1選擇1.5ms、1.8ms、2.1ms、2.4ms、2.7ms和3.0ms6個(gè)值。在其他控制參數(shù)不變的情況下，研究I1和T1的各種匹配方式對(duì)焊絲熔敷速度的影響。NLE焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)如表3所示。不同燃弧峰值電流I1和保持時(shí)間T1匹配下，焊絲熔敷速度的大小如圖3所示。燃弧期間通過(guò)調(diào)整燃弧脈沖電流I1及其持續(xù)時(shí)間T1來(lái)調(diào)整脈沖能量的大小，這種方法靈活簡(jiǎn)單，精確性較好。在不同燃弧峰值電流I1和保持時(shí)間T1的匹配下，焊絲熔敷速度也發(fā)生一定的變化。由圖3可知，在保持時(shí)間T1一定時(shí)，隨著燃弧前期電流值I1的增大，焊絲熔敷速度隨之增加；在燃弧前期電流值I1一定時(shí)，隨著保持時(shí)間T1的增加，焊絲熔化速度逐漸增大。Q1為燃弧峰值能量，對(duì)熔化焊絲形成熔滴起著非常重要的作用，它是加熱熔池的主要能量來(lái)源，能夠使短路階段焊絲端頭的熔滴向熔池內(nèi)更充分地鋪展。燃弧脈沖峰值能量Q1與I1和T1成正比關(guān)系，當(dāng)I1和T1增大時(shí)，Q1隨之增大，導(dǎo)致焊絲熔敷速度增大。3.2v1和T4對(duì)熔敷速度的影響規(guī)律由于NLE焊接法采用提前設(shè)定的焊絲運(yùn)動(dòng)曲線，焊接過(guò)程中焊接電流、電弧電壓需要根據(jù)焊絲運(yùn)動(dòng)狀態(tài)調(diào)節(jié)不同的值與其相匹配，從而完成焊接工藝參數(shù)和焊絲運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，這需要通過(guò)波形控制方案加以解決。v1為焊絲送進(jìn)速度，T4為焊絲送進(jìn)延遲時(shí)間，其表征意義是當(dāng)判斷為燃弧狀態(tài)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T4后，焊絲以速度v1開(kāi)始送進(jìn)。試驗(yàn)方案中焊絲送進(jìn)速度v1選擇400r/min、450r/min、500r/min和550r/min4個(gè)值，焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T4選擇0ms、1ms、2ms、3ms和4ms五個(gè)值。其他參數(shù)值保持不變，研究v1和T4的各種匹配方式對(duì)焊絲熔敷速度的影響。此時(shí)，NLE焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)如表4所示。不同焊絲送進(jìn)速度v1和延遲時(shí)間T4匹配下焊絲熔敷速度如圖4所示。由圖4可知，隨著焊絲送進(jìn)延遲時(shí)間T4的增大，焊絲熔敷速度逐漸減小。這是因?yàn)門(mén)4代表著當(dāng)電弧電壓大于燃弧電壓時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T4后，焊絲開(kāi)始送進(jìn)，即隨著焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間T4的增大，燃弧時(shí)間變長(zhǎng)，進(jìn)而使單周期時(shí)間變長(zhǎng)，由T4對(duì)熔滴過(guò)渡頻率和熔滴尺寸的影響可知，T4越大，熔滴過(guò)渡頻率越小，熔滴尺寸變大，但是T4的變化對(duì)熔滴過(guò)渡頻率的影響比對(duì)熔滴尺寸的影響顯著，最終導(dǎo)致焊絲熔敷速度減小。在焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間一定時(shí)，隨著焊絲送進(jìn)速度的增大，焊絲熔敷速度略有增大，由v1對(duì)熔滴過(guò)渡頻率和熔滴過(guò)渡尺寸的影響規(guī)律可知，v1越大，熔滴過(guò)渡頻率越大，熔滴尺寸基本保持不變，所以單位時(shí)間內(nèi)過(guò)渡到熔池的金屬量越多，最終導(dǎo)致焊絲熔敷速度增加。3.3v2和T5對(duì)熔敷速度的影響規(guī)律v2為焊絲回抽速度，T5為焊絲回抽延時(shí)時(shí)間，其表征意義是當(dāng)發(fā)生短路時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T5后，焊絲以速度v2開(kāi)始回抽。NLE焊接系統(tǒng)采用波形控制方案，焊絲回抽速度v2選擇300r/min、350r/min、400r/min、450r/min和500r/min五個(gè)值，焊絲回抽延時(shí)時(shí)間T5選擇0ms、0.3ms、0.6ms和0.9ms4個(gè)值。在其他參數(shù)值保持不變的前提下，使v2和T5相互匹配來(lái)研究其對(duì)焊絲熔敷速度的影響。NLE焊接系統(tǒng)所選其他工藝參數(shù)如表5所示。不同焊絲送進(jìn)速度v2和延遲時(shí)間T5匹配下焊絲熔敷速度如圖5所示。由圖5可知，隨著回抽延時(shí)時(shí)間T5的增大，焊絲熔敷速度略有增大，這是因?yàn)殡S著回抽時(shí)間的延遲，焊絲送進(jìn)時(shí)間加大，熔滴向熔池過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)，熔滴在熔池內(nèi)的鋪展越充分，最終使焊絲端頭的熔滴尺寸變大。由T5對(duì)熔滴過(guò)渡頻率的影響可知，熔滴過(guò)渡頻率隨著T5的增大而略有減小，最終導(dǎo)致焊絲熔敷速度略有增加。在焊絲送進(jìn)延時(shí)時(shí)間一定時(shí)，隨著焊絲回抽速度的增加，焊絲熔化速度略有增大，但不明顯。由v2對(duì)熔滴尺寸和熔滴過(guò)渡頻率的影響規(guī)律可知，v2越大，短路時(shí)間越小，加之慣性的存在，焊絲回抽速度越大，導(dǎo)致燃弧時(shí)間變長(zhǎng)，而燃弧期間的功率大于短路期間，因此會(huì)產(chǎn)生更多的能量加熱焊絲和母材，使熔滴尺寸變大，熔滴過(guò)渡頻率略有減小，最終導(dǎo)致焊絲熔敷速度變化不大。

4結(jié)論

NLE焊接系統(tǒng)能夠使焊接電流輸出和焊絲送進(jìn)、回抽運(yùn)動(dòng)配合良好，焊接工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍廣，焊接能量低，熔滴過(guò)渡平穩(wěn)，無(wú)飛濺，焊縫美觀，焊接效果良好。通過(guò)NLE焊接工藝試驗(yàn)得到控制參數(shù)對(duì)焊絲熔敷速度的影響規(guī)律如下：（1）隨著I1和T1的增大，焊絲熔敷速度增加。這是由于I1和T1的增大會(huì)產(chǎn)生更多的燃弧峰值能量來(lái)加熱熔池和熔化焊絲形成熔滴，最終導(dǎo)致熔敷速度變大。（2）隨著T4的增大，焊絲熔敷速度減小，這是因?yàn)門(mén)4越大，熔滴過(guò)渡頻率越小，熔滴尺寸變大，但是T4的變化對(duì)熔滴過(guò)渡頻率的影響比對(duì)熔滴尺寸的影響顯著，最終導(dǎo)致焊絲熔敷速度減??；隨著v1的增大，焊絲熔敷速度略有增大，v1越大，熔滴過(guò)渡頻率越大，熔滴尺寸基本保持不變，所以焊絲熔敷速度增加。（3）隨著T5增大，焊絲熔敷速度略有增大，這是因?yàn)門(mén)5的增大使短路時(shí)間增加，熔滴向熔池過(guò)渡時(shí)間越長(zhǎng)，熔滴在熔池內(nèi)的鋪展更充分，進(jìn)而使熔敷速度略有增加；v2越大，熔滴尺寸變大，同時(shí)熔滴過(guò)渡頻率略有減小，最終導(dǎo)致v2對(duì)焊絲熔敷速度的變化影響不大。

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作者:張玉印 馬修亮 楊 威 潘雷亮 單位:北京汽車股份有限公司