張紅衛(wèi)，姜乘風(fēng)，張曉莉，薛家祥

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640)

0 前言

熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）是一種高質(zhì)量、高效率的焊接工藝，隨著半自動(dòng)焊和自動(dòng)焊的推廣和應(yīng)用，在各種焊接方法中占有越來越重要的地位。P-GMAW是脈沖型熔化極氣體保護(hù)焊（Pulsed Gas Metal Arc Welding）的簡(jiǎn)稱，是一種焊接電流周期性變化的熔化極氣體保護(hù)焊，是20世紀(jì)60年代由英國(guó)焊接研究所發(fā)明的。P-GMAW進(jìn)一步擴(kuò)大了焊接規(guī)范區(qū)間，并且具有良好的保護(hù)效果[1]。

本研究提出的一元化參數(shù)專家數(shù)據(jù)庫就是對(duì)焊接參數(shù)的智能一元化調(diào)用，可以避免復(fù)雜的參數(shù)調(diào)節(jié)過程，降低焊接電源的使用門檻，節(jié)省調(diào)試時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，滿足人們簡(jiǎn)化操作的要求。

1 P-GMAW軟件設(shè)計(jì)

1.1 智能弧焊電源的軟件設(shè)計(jì)方案

軟件是智能弧焊電源的靈魂，是智能焊機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)焊機(jī)的本質(zhì)屬性[3]。智能弧焊電源的工作流程是一個(gè)復(fù)雜過程，可以粗略地劃分成主機(jī)初始化、控制面板初始化、通信、檢測(cè)、正常焊接、故障服務(wù)、參數(shù)保存等過程。各種物理量的檢測(cè)和控制涵蓋了上述的每一個(gè)過程，包括溫度、電流、電壓、通信狀態(tài)等。直觀起見，將系統(tǒng)流程簡(jiǎn)化，如圖1所示。各部分的程序設(shè)計(jì)采用模塊化方法，以降低程序的復(fù)雜性，提高可讀性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。

圖1 簡(jiǎn)化系統(tǒng)流程

1.2 P-GMAW軟件設(shè)計(jì)方案

P-GMAW的本質(zhì)是階段性恒電流控制，即控制峰值電流Ip、峰值電流時(shí)間tp、基值電流Ib、基值時(shí)間tb四個(gè)量[4]。為了保證焊接過程的穩(wěn)定，需要考慮以下幾個(gè)方面的問題：

（1）起弧。P-GMAW是恒電流控制，直接給定起弧電流。為了使起弧獲得更加美觀的效果，可以采用特殊波形起弧。

（2）一脈一滴控制。

（3）變頻弧長(zhǎng)控制。在脈沖電流熔化極氣體保護(hù)焊中，為了獲得穩(wěn)定的熔滴過渡，必須選定每一個(gè)脈沖電流的能量（判斷弧長(zhǎng)）。這實(shí)際上就是設(shè)定脈沖電流的峰值和脈沖持續(xù)時(shí)間，即脈沖的高和寬。在保持脈沖的高和寬不變的條件下，基值電流作為維弧用也不改變，要改變平均電流，只有通過改變兩個(gè)脈沖之間的間隔，也就是改變tb的方法來實(shí)現(xiàn)[5]。

（4）短路控制。焊接時(shí)，行走速度過快或者送絲速度過快都會(huì)引起短路。出現(xiàn)短路時(shí)，應(yīng)該立即加大電流給定，使前端爆斷再次形成電弧，直到短路結(jié)束，恢復(fù)正常焊接。

（5）收弧。P-GMAW采用脈沖形式的階梯電流進(jìn)行填坑和削球。

鑒于罐壁泡沫系統(tǒng)存在的問題，近年來研發(fā)了浮盤邊緣式泡沫系統(tǒng)，泡沫噴射口堰板與二次密封支撐板之間有一定空隙，從而規(guī)避了大風(fēng)和雨水對(duì)泡沫的稀釋問題，但仍存在泡沫充滿空隙時(shí)間較長(zhǎng)的問題，原因在于泡沫先覆蓋金屬支撐板才能進(jìn)入密封圈內(nèi)部空隙[9]，管道維修難度大，只有在儲(chǔ)罐檢修期間才能進(jìn)行。相對(duì)罐壁泡沫管道，浮盤邊緣泡沫管道耐腐蝕、耐高溫、耐高壓性能要求很高，建設(shè)成本高。

綜上所述，P-GMAW的控制流程如圖2所示。

圖2 P-GMAW過程控制流程

1.3 存儲(chǔ)和一元化設(shè)計(jì)方案

智能弧焊電源最大的特點(diǎn)是焊接過程中進(jìn)行參數(shù)的一元化調(diào)用，即可實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)“傻瓜化調(diào)節(jié)”的效果，只需要確定焊接電流，其他參數(shù)自動(dòng)匹配[6]。這一功能的實(shí)現(xiàn)得益于智能弧焊電源強(qiáng)大的專家數(shù)據(jù)庫。

從上述分析可知，P-GMAW需要一元化的主要參數(shù)有五個(gè)：Ip、tp、Ib、tb和送絲速度。為了保證存儲(chǔ)參數(shù)掉電不丟失，在此將焊接參數(shù)全部保存在E2PROM中。根據(jù)不同的焊接工藝、不同的絲徑和不同的焊接電流輸出，將一元化參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的地址映射。

下面以φ0.8 mm碳鋼焊絲為例。假設(shè)焊接電流需要60～200 A，在E2PROM中定義一個(gè)5×256字節(jié)的空間，假定16位地址從0x0000到0x04ff。那么實(shí)際的映射關(guān)系為：5個(gè)字節(jié)組成一個(gè)參數(shù)組，在輸出電流給定調(diào)節(jié)時(shí)，電流大小映射為參數(shù)組首地址，一元化參數(shù)映射為參數(shù)組地址中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 P-GMAW參數(shù)存儲(chǔ)映射示意

1.4 大步距標(biāo)定

大步距標(biāo)定的目標(biāo)是確定專家數(shù)據(jù)庫的方向和骨架，為智能焊機(jī)確定參數(shù)的初始值，這就意味著改變?cè)诔跏蓟瘯r(shí)進(jìn)行細(xì)膩標(biāo)定的策略，只需要對(duì)若干典型參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[7]。以φ1.2 mm碳鋼焊絲的P-GMAW為例，假設(shè)焊接電流需要80～350A，那么可以設(shè)定步距為20 A，也就是說對(duì)80A、100A、120 A、140 A、160 A、180 A、200 A、220 A、240 A、260 A、280 A、300 A、320 A、340 A、350 A 等電流所對(duì)應(yīng)的焊接參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。如果有參數(shù)典型值，如拐點(diǎn)、急劇變化點(diǎn)等，則需要額外考慮，在典型值附近進(jìn)一步細(xì)化標(biāo)定。

2 P-GMAW焊鋼工藝試驗(yàn)及分析

2.1 φ0.8 mm碳鋼焊絲

工藝試驗(yàn)的條件和參數(shù)：采用自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，用φ0.8mm碳鋼焊絲，在普通碳鋼板（厚度1～8mm，根據(jù)電流大小選擇）上進(jìn)行平板堆焊；采用純氬氣作保護(hù)氣，氣體流量15 L/min，焊絲干伸長(zhǎng)8 mm；恒電流控制，等速送絲。

試驗(yàn)中標(biāo)定的點(diǎn)有：40 A、60 A、80 A、100 A、120 A、140 A、160 A、180 A、200 A 等。值得注意的是，在P-GMAW工藝中，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)有5個(gè)：峰值電流Ip、峰值電流時(shí)間tp、基值電流Ib、基值時(shí)間tb和送絲速度。

峰值電流Ip和峰值電流時(shí)間tp的取定原則是確保熔滴過渡實(shí)現(xiàn)一脈一滴。

基值電流Ib、基值時(shí)間tb的取定原則是：基值電流Ib保持電弧穩(wěn)定，不斷??；基值時(shí)間tb控制電流周期，保證焊縫成形。

φ0.8 mm碳鋼焊絲P-GMAW的大步距標(biāo)定專家數(shù)據(jù)如表1所示，做成曲線如圖4所示。

表1 φ0.8 mm碳鋼焊絲P-GMAW大步距標(biāo)定專家數(shù)據(jù)

圖4 φ0.8 mm碳鋼焊絲大步距標(biāo)定曲線

在表1中，送絲速度是指數(shù)字化焊機(jī)為匹配某一焊接電流向送絲機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出的某一16進(jìn)制數(shù)，該送絲速度無量綱，單位用“H”來表示，表 1中已將其轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)據(jù)。

可見在試驗(yàn)中，峰值電流Ip、基值電流Ib都是固定不變的，調(diào)節(jié)的是峰值電流時(shí)間tp、基值時(shí)間tb和送絲速度。由圖4可知，隨著焊接電流的增大，峰值時(shí)間增大，基值時(shí)間減小。焊接電流40 A時(shí)的波形和焊縫照片如圖5所示。

圖5 焊接電流為40 A時(shí)的波形和焊縫

φ0.8 mm碳鋼焊絲的射滴過渡臨界電流超過200 A，但在以上試驗(yàn)中焊接電流僅為40 A，依然實(shí)現(xiàn)了一脈一滴過渡，熔深和清寬都非常好，足以體現(xiàn)P-GMAW的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)焊接電流為200 A時(shí)的波形和焊縫如圖6所示。由圖6可知，焊縫均勻、美觀，熔深和清寬都很好。

2.2 φ1.6 mm碳鋼焊絲

工藝參數(shù)：采用自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，φ1.6mm碳鋼焊絲，在普通碳鋼板（厚度5～20 mm，根據(jù)電流大小來選擇）上進(jìn)行平板堆焊；采用純氬氣作保護(hù)氣，氣體流量15 L/min，焊絲干伸長(zhǎng)16 mm；恒電流控制，等速送絲。

試驗(yàn)中標(biāo)定的點(diǎn)有：100 A、120 A、140 A、160 A、180 A、200 A、220 A、240 A、260 A、280 A、300 A、320 A、340 A、360 A、380 A等。表2為1.6 mm碳鋼焊絲P-GMAW的大步距標(biāo)定專家數(shù)據(jù)，曲線見圖7。

圖6 焊接電流為200 A時(shí)的波形和焊縫

表2 φ1.6 mm碳鋼焊絲P-GMAW大步距標(biāo)定專家數(shù)據(jù)

圖7 φ1.6 mm碳鋼焊絲大步距標(biāo)定曲線

圖8為焊接電流80 A時(shí)的波形和焊縫照片。

圖8 焊接電流為80 A時(shí)的波形和焊縫

在圖8中，熔深和清寬均很好，有明顯的脈沖紋路。圖9為焊接電流130A時(shí)的波形和焊縫照片。

在試驗(yàn)過程中，電弧穩(wěn)定，干伸長(zhǎng)約為15mm，飛濺非常少。從圖8、圖9中可知，用一元化專家數(shù)據(jù)庫參數(shù)進(jìn)行焊接，焊縫均勻、美觀，熔深和清寬都很好。證明了一元化參數(shù)設(shè)計(jì)方案的有效性。

圖9 焊接電流為130 A時(shí)的波形和焊縫

3 結(jié)論

（1）論述了智能弧焊電源的總體設(shè)計(jì)方案，針對(duì)智能弧焊電源的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了電源的系統(tǒng)控制軟件。重點(diǎn)提出P-GMAW工藝中焊接參數(shù)一元化專家數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)方案。

（2）通過大量工藝試驗(yàn)，對(duì)P-GMAW焊鋼工藝的焊接參數(shù)進(jìn)行了大步距標(biāo)定。且通過試驗(yàn)證明了基于大步距標(biāo)定的一元化參數(shù)專家數(shù)據(jù)庫的有效性。

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