黃曉濤，石永華，李志輝，易耀勇

水下干法脈沖焊接電信號(hào)的穩(wěn)定性

黃曉濤1，石永華1，李志輝1，易耀勇2

（1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州510640；2.廣州有色金屬研究院焊接技術(shù)研究所，廣東廣州510651）

電弧穩(wěn)定性對(duì)水下干法脈沖焊接的焊縫質(zhì)量具有重要影響。提出了一種水下脈沖焊接電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算方法，并將其作為評(píng)價(jià)電弧穩(wěn)定性的指標(biāo)。采用響應(yīng)曲面法設(shè)計(jì)了以平均電流、基值電流、占空比、脈沖頻率為參數(shù)的試驗(yàn)方案，并建立了電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)關(guān)于這四個(gè)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)3D曲面圖和等值線圖分析了平均電流與基值電流、脈沖頻率與平均電流的交互作用對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明，電信號(hào)穩(wěn)定性隨平均電流、基值電流、脈沖頻率先增強(qiáng)后降低，隨占空比增大而增強(qiáng)。

水下焊接；脈沖焊接；曲面響應(yīng)法；電弧穩(wěn)定性

0　前言

雙相不銹鋼耐腐蝕性能良好，力學(xué)性能較高，因此應(yīng)用廣泛。脈沖焊接能在平均電流較低時(shí)，在脈沖階段賦予熔滴較大的電弧力。但是在常壓焊接時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)射流過(guò)渡的工藝參數(shù)，在水下干法焊接環(huán)境下變成了大滴過(guò)渡、短路過(guò)渡甚至排斥過(guò)渡，焊接質(zhì)量大大降低。穩(wěn)定的焊接電弧是保證焊接質(zhì)量的重要因素，而當(dāng)熔滴過(guò)渡形式發(fā)生改變或者焊接過(guò)程出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，電弧特征也會(huì)隨之改變。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何評(píng)價(jià)脈沖焊電弧穩(wěn)定性進(jìn)行了大量研究，并得出許多行之有效的方法，通常有概率密度分布圖、U-I圖及頻譜分析等[1]。概率密度分布圖是以電流或電壓值為橫坐標(biāo)，電流或電壓值在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的次數(shù)或者概率為縱坐標(biāo)所畫(huà)的圖。對(duì)于單脈沖波形而言，信號(hào)幅值都集中在基值電流和峰值電流兩個(gè)設(shè)定值之間，因此概率密度分布圖呈現(xiàn)兩個(gè)波峰，越穩(wěn)定的信號(hào)，兩個(gè)波峰越高，寬度越窄[2]。U-I圖能夠顯示焊接過(guò)程電源工作點(diǎn)的軌跡，通過(guò)U-I圖能夠反映出電弧工作點(diǎn)的集中程度[3]。頻譜分析是將信號(hào)的幅值、相位通過(guò)傅里葉變換為以頻率坐標(biāo)軸表示，進(jìn)而分析其頻率特性獲得更多有用信息。

1　電信號(hào)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

脈沖焊接過(guò)程中實(shí)際焊接的電流波形如圖1所示，為了能真實(shí)地反映焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，對(duì)于單脈沖波形焊接而言，對(duì)電信號(hào)整體計(jì)算電流標(biāo)準(zhǔn)差并無(wú)實(shí)際意義。考慮到脈沖焊接電信號(hào)的每個(gè)周期都由峰值電流和基值電流組成，通過(guò)LabView程序，以平均電流200 A為閾值，把原始數(shù)據(jù)中大于200A的數(shù)據(jù)點(diǎn)存入峰值數(shù)組，小于200 A的數(shù)據(jù)點(diǎn)存入基值數(shù)組。

圖1　熔化極脈沖電弧焊電流波形

本研究分別分析峰值階段和基值階段的電流信號(hào)，根據(jù)式（1）和式（2）分別計(jì)算得到峰值電流穩(wěn)定系數(shù)δIP和基值電流穩(wěn)定系數(shù)δIb，再通過(guò)電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)δ來(lái)分析脈沖焊接過(guò)程電信號(hào)的穩(wěn)定性。

δIP和δIb值越大，表明在對(duì)應(yīng)階段的電流信號(hào)越穩(wěn)定。為方便研究電信號(hào)穩(wěn)定性對(duì)焊縫成形的影響，建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，將δIP和δIb相加得到電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)δ，即

用δ作為評(píng)價(jià)電信號(hào)穩(wěn)定性的指標(biāo)。δ越大，表明對(duì)應(yīng)階段的電流信號(hào)越穩(wěn)定。

2　壓力對(duì)焊接電信號(hào)穩(wěn)定性的影響

為了分析水下干法焊接中壓力（即水深）對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響，分別在高壓艙中模擬0 m（常壓）、10 m、20 m、30 m、40 m的壓力環(huán)境進(jìn)行焊接試驗(yàn)。脈沖焊接參數(shù)為：平均電流220 A、基值電流100 A、占空比50％、脈沖頻率50 Hz。采用平板堆焊，母材為6 mm厚的S32101雙相不銹鋼板，使用直徑1.6 mm的E2209-T0-4藥芯焊絲，導(dǎo)電嘴到母材距離16mm，焊接速度10 mm/s。針對(duì)每條焊縫的焊接電信號(hào)分別取10 000個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行δ值的計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

表1　模擬不同水深下的電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)δ

由表1可知，電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)隨著水深變大而逐漸變小，即焊接電信號(hào)隨著壓力的增大而變得越來(lái)越不穩(wěn)定。

為進(jìn)一步探究電信號(hào)穩(wěn)定性與水深的關(guān)系，將水深作為橫坐標(biāo)，δ作為縱坐標(biāo)，將表1數(shù)據(jù)畫(huà)到同一坐標(biāo)上，并計(jì)算得到線性擬合直線，如圖2所示。

圖2　水深對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響

其中，所獲得的線性擬合方程為

計(jì)算得到R2=0.948 5，說(shuō)明水深與電信號(hào)穩(wěn)定性δ具有很好的線性相關(guān)性。

3　基于曲面響應(yīng)法的焊接試驗(yàn)設(shè)計(jì)

脈沖焊接過(guò)程中可調(diào)整的焊接參數(shù)較多，在此通過(guò)響應(yīng)曲面建模分析方法研究各工藝參數(shù)對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。在實(shí)際焊接過(guò)程中，首先根據(jù)母材厚度、坡口大小等情況選擇適合的平均電流?；惦娏髟O(shè)置過(guò)高將使焊接過(guò)程失去脈沖特性，設(shè)置過(guò)小又會(huì)導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定甚至熄滅。因此，選取平均電流、基值電流、占空比和脈沖頻率四個(gè)焊接參數(shù)作為響應(yīng)曲面考察因素。各因素取值范圍為：平均電流160～280 A，基值電流80～120 A，占空比40％～60％，脈沖頻率30～70 Hz。

在高壓艙中模擬水下20 m的壓力，其他試驗(yàn)條件與表1相同。試驗(yàn)方案如表2所示，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到電流穩(wěn)定系數(shù)δ值。

表2　基于響應(yīng)曲面法的試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)表2中的電流穩(wěn)定系數(shù)δ值進(jìn)行響應(yīng)曲面建模，通過(guò)多元回歸擬合，得到電流穩(wěn)定系數(shù)δ與平均電流Ia、基值電流Ib、占空比D以及脈沖頻率f之間的回歸模型

采用F法檢驗(yàn)該回歸方程顯著性，計(jì)算得到F= 10.33，設(shè)置信度為95％，即α=0.05，查詢F分布臨界值表得F（0.05，14，15）=2.45，F(xiàn)=10.33＞2.45，因此，該響應(yīng)曲面回歸方程是顯著的。

4.1單一參數(shù)對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響

RSM試驗(yàn)方案的中心點(diǎn)為平均電流220A，基值電流100 A，占空比50％，脈沖頻率50 Hz。利用回歸方程（5）得到各個(gè)單參數(shù)響應(yīng)曲線

將各參數(shù)值進(jìn)行編碼，再將編碼值作為橫坐標(biāo)，電流穩(wěn)定性系數(shù)δ為縱坐標(biāo)，把各單一參數(shù)的響應(yīng)曲線畫(huà)在同一個(gè)坐標(biāo)軸上，如圖3所示。

圖3　單一參數(shù)對(duì)電流穩(wěn)定系數(shù)δ的影響

（1）平均電流對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。

電信號(hào)穩(wěn)定性隨著平均電流的增大呈整體先增強(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。在平均電流較低時(shí)，電信號(hào)穩(wěn)定性對(duì)送絲速度的變化十分敏感，隨著平均電流的增大，該敏感度會(huì)逐漸降低，即電信號(hào)輸出的抗干擾能力逐漸增強(qiáng)，所以電流穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)平均電流繼續(xù)增大超過(guò)了臨界點(diǎn)時(shí)，較高的平均電流容易導(dǎo)致瞬時(shí)功率在峰值階段超過(guò)焊機(jī)輸出的限制，被迫降低電流，使電信號(hào)穩(wěn)定性變差，因此當(dāng)平均電流繼續(xù)增大，電信號(hào)穩(wěn)定性有所減弱。

（2）占空比對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。

隨著占空比的增大，電信號(hào)穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)占空比較小時(shí)，峰值電流較高，峰值階段熱輸入增大使得焊絲熔化速度較快，導(dǎo)致弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，弧壓較高。過(guò)高的弧壓使焊絲端部周而復(fù)始地上下跳動(dòng)，焊接過(guò)程電信號(hào)不穩(wěn)定[4]。同時(shí)在焊接電流較小或電弧電壓較高時(shí)會(huì)發(fā)生熔滴大滴過(guò)渡的情況，使得電信號(hào)穩(wěn)定性較差。隨著占空比的增大，峰值電流逐漸減小，峰值弧壓降低，熔滴過(guò)渡情況改善，電信號(hào)穩(wěn)定性逐漸增大。

（3）基值電流對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。

基值電流對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為電信號(hào)穩(wěn)定性隨著基值電流的增大整體上先增強(qiáng)后減弱?；惦娏鬏^小時(shí)，由于平均電流確定，峰值電流會(huì)較大，較高的峰值電流使得焊絲在峰值階段熔化較快，從而導(dǎo)致弧長(zhǎng)較長(zhǎng)，弧壓較高，電信號(hào)穩(wěn)定性較差。隨著基值電流的增大，峰值電流減小，峰值階段弧長(zhǎng)變短，電信號(hào)穩(wěn)定性提高。但隨著基值電流繼續(xù)增大，峰值電流繼續(xù)減小，一個(gè)脈沖周期內(nèi)不足以引起熔滴過(guò)渡時(shí)，熔滴將經(jīng)過(guò)幾個(gè)連續(xù)周期才依靠重力作用過(guò)渡到熔池[5]，過(guò)渡的時(shí)刻不規(guī)律，電信號(hào)穩(wěn)定性差。因此，電信號(hào)穩(wěn)定性隨著基值電流的增大，先增強(qiáng)后減弱。

（4）脈沖頻率對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。

隨著脈沖頻率的增大，電信號(hào)穩(wěn)定性先增強(qiáng)后減弱。在脈沖頻率較小時(shí)，隨著脈沖頻率的增大，熔滴過(guò)渡從一脈多滴變?yōu)橐幻}一滴，焊接過(guò)程穩(wěn)定性增加，但當(dāng)頻率繼續(xù)增大時(shí)，單個(gè)脈沖周期內(nèi)熔滴不足以充分長(zhǎng)大并過(guò)渡到熔池。只有經(jīng)過(guò)若干個(gè)脈沖周期后，熔滴在重力作用下過(guò)渡到熔池[4]。此時(shí)熔滴的過(guò)渡形式和過(guò)渡時(shí)刻都不規(guī)律，信號(hào)穩(wěn)定性變差。在脈沖頻率約為45 Hz時(shí)電信號(hào)穩(wěn)定性最好。

4.2焊接參數(shù)交互作用對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響

（1）平均電流和基值電流對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。

圖4為設(shè)定占空比D=50％、脈沖頻率f=50 Hz時(shí)，電信號(hào)穩(wěn)定性δ隨平均電流和基值電流改變的3D曲面圖和等值線圖。

圖4　平均電流和基值電流對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響

電信號(hào)穩(wěn)定性隨著基值電流的增大而增強(qiáng)的趨勢(shì)在平均電流較低的條件下比較明顯。這表明，平均電流較低時(shí)電信號(hào)穩(wěn)定性對(duì)基值電流的敏感度更高。因?yàn)樵诘推骄娏鳁l件下，電信號(hào)穩(wěn)定性對(duì)送絲速度的敏感度較高，信號(hào)抗干擾能力較弱，峰值電流一旦增大，弧長(zhǎng)變長(zhǎng)，會(huì)明顯地降低電信號(hào)的穩(wěn)定性。

由圖4還可知，電信號(hào)穩(wěn)定性隨著平均電流的增大而增強(qiáng)的趨勢(shì)在基值電流較低時(shí)更為明顯。當(dāng)基值電流較小時(shí)，對(duì)于相同的平均電流，峰值電流較大，弧壓較高，電信號(hào)穩(wěn)定性較差。當(dāng)平均電流較小時(shí)，電信號(hào)的抗干擾能力較弱，峰值電流的提高對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響更為明顯。因此，在基值電流較小時(shí)，平均電流對(duì)焊接電信號(hào)穩(wěn)定性的影響更加顯著。從等值線圖可知，在基值電流約110 A、平均電流約230 A時(shí)，電信號(hào)穩(wěn)定性最好。

（2）脈沖頻率和平均電流對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響。

圖5為基值電流100 A、占空比50％時(shí)，電信號(hào)穩(wěn)定性δ隨平均電流和脈沖頻率改變的3D曲面圖和等值線圖。

圖5　平均電流和脈沖頻率對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響

把某一平均電流下電信號(hào)穩(wěn)定性最高時(shí)的頻率稱為該電流等級(jí)的最優(yōu)脈沖頻率，由圖5可見(jiàn)，隨著平均電流的增加，最優(yōu)頻率在逐漸減小。當(dāng)平均電流為170 A時(shí)，最優(yōu)脈沖頻率約為55 Hz，當(dāng)平均電流增大到210A時(shí)，最優(yōu)脈沖頻率約為48Hz。

把某一脈沖頻率下的電流穩(wěn)定系數(shù)取得最高值時(shí)的平均電流稱為該頻率下的最優(yōu)平均電流，從等值線圖可以看出，最優(yōu)平均電流隨頻率的增加而減小。沿著平均電流變化方向，高頻率條件下電信號(hào)穩(wěn)定性能達(dá)到的最高值比中低頻率時(shí)小，如頻率低于55 Hz時(shí)，最高電弧穩(wěn)定系數(shù)大于12，而頻率大于55 Hz時(shí)則只能達(dá)到11，當(dāng)頻率大于65 Hz時(shí)，電弧穩(wěn)定系數(shù)最高只能達(dá)到10。

5　結(jié)論

研究了平均電流、基值電流、占空比及脈沖頻率對(duì)水下干法脈沖焊接過(guò)程電信號(hào)穩(wěn)定性的影響，主要結(jié)論如下：

（1）焊接電信號(hào)穩(wěn)定性δ隨著壓力的增大而降低，并建立了δ值與壓力的線性擬合方程。

（2）設(shè)計(jì)了曲面響應(yīng)試驗(yàn)方案，建立水下20 m干法脈沖焊接的電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)關(guān)于平均電流、基值電流、占空比以及脈沖頻率的回歸方程，該方程具有顯著性。

（3）電信號(hào)穩(wěn)定系數(shù)δ隨著平均電流Ia、基值電流Ib和脈沖頻率f的增加先增強(qiáng)后降低，隨著占空比D的增加而不斷增加，其中占空比對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性的影響最為明顯。

（4）焊接參數(shù)交互作用對(duì)電信號(hào)穩(wěn)定性有較大影響。

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Research on the electrical signal stability of underwater dry pulse welding

HUANG Xiaotao1，SHI Yonghua1，LI Zhihui1，YI Yaoyong2
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；2.Institute of Welding Technology，Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals，Guangzhou 510651，China）

Arc stability of underwater dry pulse welding has great influence on the weld quality.A mathematical model for welding electrical signal stability is developed and applied to evaluate the welding arc stability.An experimental plan based on average current，base current，dutycycleandpulsefrequencyisdesigned using response surface methodology（RSM）.Amathematicalmodelof the correlationships between these four factors and the electrical signal stability is developed.Finally，the influences of the interactions among the average current and base current，pulse frequency and average current on the electrical signal stability is analyzed by using 3D surface graphs and contour maps.The results show that the electrical signal stability may first increase and then decrease with the increase of average current，base value current，pulse frequency，and increase with the increasing duty ratio.

underwater welding；pulse welding；response surface methodology；arc stability

TG403

A

1001－2303（2016）01－0023-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.06

2015-07-03；

2015-10-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51374111，51175181）

黃曉濤（1990—），男，在讀碩士，主要從事水下焊接技術(shù)的研究。