黃松濤 齊鉑金 許海鷹 焦向東

1.北京石油化工學(xué)院,北京,102617 2.北京航空航天大學(xué),北京,100191

0 引言

焊接冶金過程中,容易出現(xiàn)焊縫區(qū)和熱影響區(qū)組織晶粒粗大、焊縫殘余應(yīng)力較大且應(yīng)力集中、焊縫的沖擊韌度下降等普遍現(xiàn)象[1]。如何改善焊接接頭的質(zhì)量一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點之一。

國內(nèi)外對高頻直流脈沖鎢極惰性氣體保護(TIG)焊的研究表明,超音頻直流脈沖電弧焊接具有電弧挺度強、可使焊縫晶粒細化等優(yōu)點,在某些極端工況下超音頻直流脈沖焊接也有優(yōu)異的表現(xiàn)。在發(fā)達國家已有一些將20kHz左右的大功率高頻直流脈沖TIG焊機應(yīng)用于工程實際的報道[2-4]。

文獻[5]提出了電弧超聲的新概念,充分利用電弧的變阻負載特性,在普通焊接電源的基礎(chǔ)上附加寬帶大功率的超聲激勵裝置,使自由電弧和等離子體電弧受外加高頻調(diào)制,使電弧不僅作為焊接加工的熱源,同時也成為一種可控的超聲發(fā)射源。

為了使超音頻直流脈沖弧焊電源不僅可為能量提供設(shè)備,同時也是電弧超聲激勵裝置,本研究利用雙數(shù)字信號處理器(DSP)并行控制技術(shù)全數(shù)字化控制由絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成的新型主電路,研制出新型大功率超音頻直流脈沖TIG焊電源。

1 焊機總體結(jié)構(gòu)

焊機總體結(jié)構(gòu)包括焊機主電路拓撲結(jié)構(gòu)和焊機控制系統(tǒng)方案。

1.1 超音頻直流脈沖主電路拓撲結(jié)構(gòu)

由于焊接電流高達幾百安,故要實現(xiàn)大電流超音頻方波輸出的關(guān)鍵是解決其電流脈沖的上升和下降的變化速率問題。為此,我們研制出圖1所示結(jié)構(gòu)的超音頻直流脈沖TIG焊電源[6]。

該電源由三相整流濾波電路、脈沖峰值電流產(chǎn)生主電路、超音頻脈沖峰值電流切換電路、脈沖基值電流產(chǎn)生主電路等幾部分組成。脈沖峰值電流產(chǎn)生主電路部分由IGBT構(gòu)成的半橋式或全橋式逆變電路、主變壓器B1、整流二極管D1和D2等構(gòu)成,其功能是向后級感性負載提供峰值電流Ip,電流波形如圖2a所示,控制方式為恒流控制。脈沖基值電流產(chǎn)生主電路部分由IGBT構(gòu)成的半橋式或全橋式逆變電路、主變壓器B2、整流二極管D3和D4、濾波電感L1等構(gòu)成,其功能是產(chǎn)生基值電流Ib,波形如圖2b所示,控制方式也為恒流控制。超音頻脈沖峰值電流切換電路由IGBT模塊 T、電感 L2、大功率二極管 D5等組成,模塊T、電感L2和大功率二極管D5構(gòu)成Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)。當模塊T開通時,峰值電流由電感L2、模塊T構(gòu)成回路,維持穩(wěn)定的 Ip;當模塊 T關(guān)閉時,峰值電流產(chǎn)生主電路串聯(lián)電感L2共同給焊接電弧提供脈沖峰值電流Ipp,該電流波形如圖2c所示。在基值和峰值電流同時輸出的情況下,焊接電弧上電流Ipo的波形如圖2d所示。電極與工件之間并有吸收保護電路,吸收電路由功率阻容網(wǎng)絡(luò)組成,用于吸收電壓尖峰,當電壓尖峰超限時保護電路關(guān)斷上述各電流回路。為保證焊機可靠性,同時對上述主回路和吸收保護電路采用風冷方式進行冷卻。采用圖1所示的拓撲結(jié)構(gòu),快速切換模塊T可在電源輸出端得到頻率不小于20kHz,峰值高達上百安且具有快速的上升沿和下降沿變化速率的方波電流輸出,變化速率不小于50A/μ s。

1.2 雙DSP并行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

美國德州儀器公司生產(chǎn)的C2000系列DSP芯片TMS320LF2407(以下簡稱2407)因具有強大的數(shù)字脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出與控制功能,在電力電子技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。用DSP能很方便地產(chǎn)生脈沖頻率和占空比可調(diào)的波形,因此在高頻脈沖電源設(shè)計方案中引入DSP可優(yōu)化電源控制系統(tǒng)的設(shè)計。如上所述,所研制的大功率超音頻直流脈沖電源由兩套直流回路并聯(lián)調(diào)制而成,增加了控制系統(tǒng)本身對采樣速度、運算精度、運算速度、控制輸入和控制輸出等多方面的要求,傳統(tǒng)的單片DSP構(gòu)成的系統(tǒng)難以滿足這些需求。利用2407共享外部存儲器構(gòu)成雙DSP并行控制結(jié)構(gòu)體系,將一個任務(wù)分成若干子任務(wù),分別由兩片DSP并行處理,從而提高系統(tǒng)的運算速度、采樣速度和運算精度,相應(yīng)地也可以處理更多的控制輸入和控制輸出。并行控制系統(tǒng)如圖3所示,由5塊不同功能的電路板模塊和實現(xiàn)人機交互功能的液晶觸摸屏組合而成。

并行控制系統(tǒng)中的電路板1、電路板2為兩塊獨立的DSP數(shù)字控制板,通過共享外部存儲器構(gòu)成并行控制系統(tǒng)。電路板1或電路板2的結(jié)構(gòu)如圖4所示。電路板1和電路板2為具有基本相同結(jié)構(gòu)的DSP數(shù)字控制板。電路板1和電路板2均由DSP核心系統(tǒng)區(qū)、電源PWM控制A區(qū)、電源PWM控制B區(qū)、電源PWM控制C區(qū)4個部分構(gòu)成,且4個部分相互隔離以滿足可能需要的隔離控制需求。電路板1和電路板2的DSP核心系統(tǒng)區(qū)提供雙口RAM接口、JTAG接口、串行通信接口、觸摸屏接口和TFT液晶接口。

如圖3所示,電路板1和電路板2共享外部數(shù)據(jù)存儲器以構(gòu)成并行控制系統(tǒng)來控制超音頻直流脈沖TIG焊機時,電路板1的PWM 控制C區(qū)和電路板2的PWM控制A區(qū)同時連接到電路板3,電路板3通過驅(qū)動板來完成逆變主電路1的驅(qū)動。電路板1和電路板2的雙DSP并行完成逆變主電路1的并行采樣、閉環(huán)控制算法的并行運算和雙端PWM的冗余備份輸出。同理,電路板1的PWM控制A區(qū)和電路板2的PWM控制C區(qū)同時接電路板3,電路板3通過驅(qū)動板來完成逆變主電路2的驅(qū)動。由此,電路板1和電路板2的雙DSP并行完成逆變主電路2的并行采樣、閉環(huán)控制算法的并行運算和雙端PWM的冗余備份輸出。電路板2的PWM控制C區(qū)連接電路板3,電路板3通過驅(qū)動板完成IGBT模塊T的驅(qū)動。上述并行控制系統(tǒng)中共享存儲器雙口RAM器件CY7C027V工作在中斷模式,當電路板1中的DSP往雙口 RAM的左端口中斷郵箱地址0x7FFE寫數(shù)據(jù)時,將使電路板2中的DSP進入XINT1中斷;反之,當電路板2中的DSP往雙口RAM的右端口中斷郵箱地址0x7FFF寫數(shù)據(jù)時,將使電路板2中的DSP進入XINT1中斷。CY7C027V工作在中斷模式時,可以簡化雙DSP并行采樣、并行計算和PWM冗余備份輸出的算法。

并行控制系統(tǒng)中的電路板3可實現(xiàn)對主電路的采樣、監(jiān)測和保護等功能,并將這些信號通過電路板1或電路板2的PWM控制區(qū)傳送到DSP。并行控制系統(tǒng)中的電路板4主要完成繼電器控制,用來控制電源風扇、交流接觸器和引弧模塊等。

2 焊機的焊接適用性試驗

采用雙DSP并行控制系統(tǒng)控制的基于上述拓撲結(jié)構(gòu)主電路的超音頻直流脈沖焊機,可以有效地輸出峰值電流Ip在100A以上,脈沖頻率在30kHz以上,脈沖電流變化速率 di/dt≥50A/μ s,且峰值電流、基值電流、脈沖頻率和占空比均獨立可調(diào)的超音頻直流脈沖電流。

2.1 超音頻直流脈沖TIG焊焊接電弧與電流波形的特點

圖5所示為超音頻直流脈沖電源在鎢極直徑為2.6mm,基值電流Ib=50A,峰值電流Ip=120A,占空比為50%的情況下,采用直流正接方式焊接5mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板時的實測電流波形。示波器采用的是Tektronix公司生產(chǎn)的TPS3012示波器。

從測試結(jié)果可以看出,所研制的原理樣機可輸出超音頻脈沖大電流,脈沖電流上升沿、下降沿的電流變化速率di/dt≥50A/μ s,能夠滿足超音頻脈沖TIG焊大電流焊接的要求。

圖6a是普通直流TIG焊接時的電弧形態(tài)照片,圖6b是30kHz超音頻直流脈沖TIG焊接時的電弧形態(tài)照片。試驗中發(fā)現(xiàn)弧長2～5mm的超音頻直流脈沖TIG焊電弧呈鐘罩形,而等效電流的直流TIG焊電弧呈碟形。該現(xiàn)象表明大功率超音頻直流脈沖 TIG焊接電弧在超音頻狀態(tài)下,由于高頻電磁場洛倫茲力的作用使電弧收縮,電弧的挺度增強、穿透力增大,說明大功率超音頻直流脈沖TIG焊電弧保持了文獻[7]所分析的小功率超音頻直流脈沖 TIG焊電弧“電弧高頻效應(yīng)”的特性。

2.2 超音頻直流脈沖TIG焊對焊縫組織的影響

圖7a是采用130A直流TIG焊重熔5mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼鋼板的金相圖。金相圖從母材(圖左)到焊縫(圖右)之間的組織變化為:在母材上為沿軋制方向被拉長的奧氏體晶粒,在熔合線附近靠近母材一側(cè)為相互平行的板條狀δ—鐵素體伸入到粗大的奧氏體晶界內(nèi),靠近焊縫一側(cè)為粗大的奧氏體胞狀樹枝晶基體上分布骨架狀δ—鐵素體。圖7b是采用基值電流Ib=30A,峰值電流Ip=130A,占空比為20%,頻率為30kHz的超音頻直流脈沖 TIG焊重熔同種材料的金相圖。圖7b與圖7a相比,粗大的奧氏體胞狀樹枝晶所占區(qū)域較窄,從粗晶區(qū)到焊縫一側(cè),蠕蟲狀δ—鐵素體分布在細小的奧氏體等軸晶基體上。

采用超音頻直流脈沖 TIG焊,熔池在1s內(nèi)要受到上萬次脈動的等離子力作用,即熔池要受到電弧超聲波振動和強烈的機械攪拌作用。超音頻直流脈沖TIG焊的金相與直流TIG焊的金相相比,對于1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼焊縫熔池,初生的δ—鐵素體枝晶受到電弧超聲波的振動、攪拌作用,部分正在生長的枝晶被打碎,相當于使形核率增加,即增加了結(jié)晶中心數(shù)量,改變了結(jié)晶形態(tài),因此使得焊縫中心出現(xiàn)了更多的奧氏體等軸晶,并使粗大樹枝晶所占區(qū)域縮小。說明超音頻直流脈沖TIG焊機所產(chǎn)生的電弧超聲能抑制粗晶區(qū)的生長,細化焊縫晶粒,提高焊接接頭性能。

2.3 超音頻直流脈沖TIG焊對焊接接頭性能的影響

采用表1所示的焊接工藝參數(shù),以2mm左右的弧長焊接5mm厚的0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼板材,開Y形坡口可一次性焊透。根據(jù)GB/T228—2002制備拉伸樣板,拉伸試樣規(guī)格尺寸如圖8所示。0Cr18Ni9Ti的拉伸試驗結(jié)果如表2和表 3所示。表 2是 30kHz超音頻直流脈沖TIG焊焊5mm厚的0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼的拉伸試驗結(jié)果,表3是170A直流TIG焊焊同種材料的拉伸試驗結(jié)果。試驗委托單位為國家鋼鐵材料測試中心,拉伸試驗按照GB/T228—2002進行,試驗溫度為25℃,拉伸速率為2mm/min。

表1 試驗超音頻TIG焊對接頭性能影響時的工藝參數(shù)

表2 30kHz超音頻直流脈沖TIG焊焊0Cr18Ni9Ti不銹鋼的拉伸試驗結(jié)果

表3 170A直流TIG焊焊0Cr18Ni9Ti不銹鋼的拉伸試驗結(jié)果

對比表2和表3的拉伸試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),與普通直流焊接方式相比,采用30kHz超音頻脈沖TIG焊焊接0Cr18Ni9Ti的奧氏體不銹鋼可使對接接頭的力學(xué)性能得到增強,抗拉強度平均增大40MPa,斷后伸長率平均提高5%。

圖9是拉伸斷口的微觀形貌電鏡掃描照片。圖9a是采用30kHz超音頻直流脈沖TIG焊方式拉伸試樣3—2的斷口照片,圖9b是采用170A直流TIG焊方式拉伸試樣4—2的斷口照片。從圖9a可以看出,拉伸試樣斷口上有大量韌窩并呈網(wǎng)狀分布,斷裂屬于微孔聚集性延性斷裂,斷口為韌性斷口。從圖9b可以看出拉伸試樣斷口上出現(xiàn)小平面特征的斷裂區(qū)域,而且在小平面之間存在撕裂棱,斷裂屬于準解理斷裂,斷口為韌脆混合斷口[8]。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是超音頻直流脈沖TIG焊接方式的焊縫晶粒比普通直流 TIG焊接方式的焊縫晶粒組織細小,細小的組織提高了材料的塑性、韌性等力學(xué)性能。

3 結(jié)論

(1)基于雙DSP并行控制技術(shù)全數(shù)字化控制由IGBT構(gòu)成的新型主電路,成功地研制了大功率超音頻直流脈沖TIG焊機。

(2)研制的新型直流脈沖TIG焊機的基值電流、峰值電流、脈沖電流頻率和占空比均獨立可調(diào),電流最高脈沖頻率可達30kHz以上且脈沖電流的上升沿和下降沿變化速率不小于50A/μ s。

(3)不銹鋼焊接試驗表明,新型超音頻直流脈沖TIG焊機所產(chǎn)生的電弧不僅保持了小電流直流高頻脈沖TIG焊接所具有的電弧高頻效應(yīng),而且超音頻直流脈沖 TIG焊接電弧所具有的電弧超聲作用能細化焊縫晶粒,提高接頭性能。

[1]吳敏生,何龍標,李路明,等.電弧超聲焊接技術(shù)[J].焊接學(xué)報,2005,26(6):40-44.

[2]Masayasu N,Jin O,Takao F,et al.Method of High Frequency Pulse Arc Welding and Apparatus Therefore:US,6225598B1[P].2001-05-01.

[3]Bernard M.Increasing Tube Mill Welding Speed:ExaminingTechnology for Tube Producers[EB/OL].The Tube&Pipe Journal,2001[2009-03-20].http://www.thefabricator.com.

[4]Jin O,Yoshisa A,Masayasu N,et al.Development of a New High—frequency,High—peak Current Power Source for High Constricted Arc Formation[J].Jpn.J.Appl.Phys.,2002,41:5821-5826.

[5]吳敏生,段向陽,李路明,等.電弧超聲的激發(fā)及其特性研究[J].清華大學(xué)學(xué)報,1999,39(60):110-112.

[6]齊鉑金,許海鷹,黃松濤.超音頻方波直流脈沖弧焊電源裝置:中國,200710120831.2[P].2007-08-27.

[7]趙家瑞.矩形波直流脈沖TIG焊電弧穩(wěn)定性的研究[J].焊接學(xué)報,1988(3):171-180.

[8]康樂,黃瑞生,劉黎明,等.低功率 YAG激光—MAG電弧復(fù)合焊接不銹鋼[J].焊接學(xué)報,2007,28(11):69-72.