侯潤石 吳勇健

摘要：交流MIG焊可通過調節(jié)EP極性和EN極性的比例來控制焊縫熔深和焊絲熔化速度，有利于薄板焊接，但交流MIG焊在EP極性和EN極性變化時容易產生斷弧。研究了一種維弧電路，在EP極性和EN極性變化時刻能輸出很高的重引弧電壓來幫助電弧重新引燃?？捎行Ы鉀Q薄板高速焊接時的燒穿問題。

關鍵詞：交流MIG;電弧穩(wěn)定性;電弧重引燃

中圖分類號：TG403 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0091-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.19

0 前言

近年來，隨著金屬制品輕量化要求不斷增多，高質量的薄板焊接越來越重要。傳統(tǒng)直流MIG焊接具有生產效率高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，但焊縫熱輸入量控制困難，傳統(tǒng)焊接工藝難以滿足人們對于高效低成本焊接的需求。交流MIG焊利用EP極性和EN極性的交替切換來提高電弧挺度、克服直流電弧的磁偏吹，從而提高焊接電弧及熔滴過渡的穩(wěn)定性;通過調節(jié)EP極性和EN極性的比例來控制焊縫熔深和焊絲熔化速度，因此非常有利于薄板的焊接[1-2]。

相對于交流TIG焊，交流MIG焊在EP極性和EN極性變化過程中更容易產生斷弧，交流MIG焊二次逆變電路的結構、參數(shù)和控制策略對于交流焊接電源的輸出性能具有重要的影響，如何在EP極性和EN極性變化過程中維持電弧的穩(wěn)定，是交流MIG焊的難點之一。文中研究了一種維弧電路，在交流MIG焊EP極性和EN極性變化過程中電流迅速過零點，并輸出高于350 V的重引弧電壓以幫助電弧重新引燃。

1 交流MIG焊接電流換向電弧穩(wěn)定性

在交流電弧焊接過程中，電流過零時電弧將瞬時熄滅，需重新引燃電弧。而重新引燃電弧的難易與再引燃電弧瞬間電弧空間殘余電離度、陰極電子發(fā)射能力以及再加電壓的上升速度有關[3-4]。在電流過零熄滅瞬間，疊加足夠高的電壓脈沖可使電弧熄滅后能夠立即再引燃[5]。交流MIG焊接電弧在極性變換前的電流大小、電弧能量、變換極性后加在電弧兩端電壓的大小及其加上的速度是影響交流MIG電弧變極性穩(wěn)定性的最重要的三個因素[6]。

文獻[7]介紹了交流MIG電弧變極性穩(wěn)定性，其穩(wěn)弧控制方案是在焊接電弧極性變換的時刻加瞬時高壓脈沖，保護氣體為純氬氣時，瞬時高壓脈沖的幅值需在280 V以上。在氬氣基礎上，隨著CO2含量的增加，瞬時高壓脈沖的幅值相應增加，當CO2含量在25%以上時，瞬時高壓脈沖的幅值需在430 V以上，實際上焊接電流大時所需的穩(wěn)弧強度弱，焊接電流小時所需的穩(wěn)弧強度強。

交流脈沖 MIG焊可以通過調節(jié)各波段的電流大小、時間長短來控制焊接電弧的穩(wěn)定性，使電磁力能夠順利地促進熔滴過渡，達到一脈一滴穩(wěn)定過渡的效果，其中脈沖時間與正極性基值時間對熔滴過渡的影響最大，熔滴脫落穩(wěn)定出現(xiàn)在正極性脈沖的下降沿，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴過渡，正極性脈沖前的基值時間不能過長[8]。

2 交流MIG焊接電源主電路及輔助電路

文中的交流MIG焊接電源采用二次全橋逆變結構，其原理簡單，電流極性切換速度快[9]，如圖1所示。電網(wǎng)電壓經整流濾波、一次逆變和變壓器T1降壓后，輸出高頻方波交流電，再經過整流二次逆變，輸出頻率較低的交流焊接電流。二次逆變回路由IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4構成，焊接過程中IGBT1、IGBT3與IGBT2、IGBT4交替導通，實現(xiàn)電流換向。

相對于交流TIG焊，交流MIG焊的焊絲是電極，其熔點低，放電困難，故交流MIG焊在極性切換時要輸出很高的重引弧電壓才能使電弧在交流過零點時重新起弧。為此，設計了以箝位電容C1為中心的維弧電路，其中包括充電電路、放電電路和箝位電路：

（1）充電電路：C1電容的充電電路由兩個回路組成。

第一充電回路由電容C1、主變壓器T1二次側N3、整流橋B1組成。當焊接啟動時，逆變器一次側開始功率輸出，主變壓器T1二次側N3輸出高頻交流電壓通過整流橋B1對電容C1充電。在網(wǎng)壓380 V輸入條件下，設計N3與N1的匝數(shù)比關系，可實現(xiàn)對電容C1的充電電壓為350 V，該電壓為電容C1的基礎電壓。文中設計的逆變器的工作頻率為50 kHz，所以主變壓器對C1的充電速度非?？?，在100 μs就可使得C1的電壓達到350 V，從而保證焊接從起弧開始即可實現(xiàn)電弧換向的穩(wěn)定。

第二充電回路由電容C1、二次逆變開關管、回路中的電感及相應的二極管組成。由于回路中存在電感，在IGBT1和IGBT4（或IGBT2和IGBT3）關斷時會產生電壓尖峰，當該電壓尖峰超過第一充電回路的基礎電壓350 V時，該電壓尖峰將會對電容C1充電。此時充電回路的電容C1主要是起緩沖吸收作用，保護相關功率器件的安全。同時，由于電容C1兩端在第一充電回路中有一個350 V的基礎電壓，所以在IGBT1和IGBT4（或IGBT2和IGBT3）關斷時產生的電壓尖峰低于350 V時，電容C1并不吸收此電壓尖峰，這有利于IGBT1和IGBT4（或IGBT2和IGBT3）的關斷速度，實現(xiàn)更快的電流下降。

（2）放電電路：由于文中采用的二次逆變主回路的功率器件最高耐壓不超過600 V，當超過此電壓時將損壞相關器件。為了保護功率器件的安全，設計了對電容C1的放電回路，充電回路由兩個回路組成。

第一放電回路由電容C1、電阻R1、電阻R2組成。該回路為典型RC放電電路，當電容C1上有電壓時，電阻R1、R2將對其進行放電。該放電回路的放電速度比較緩慢。

第二放電回路由電容C1、電阻R3、開關管IGBT5組成。當開關管IGBT5處于關斷狀態(tài)，此放電回路不工作，只有第一放電回路對C1進行放電。當C1兩端的電壓高于450 V時，電阻R1和R2組成分壓電路并聯(lián)于箝位電容C1兩端，R2上的電壓增大且當該輸出電壓擊穿穩(wěn)壓管ZD1時IGBT5導通，電容C1經IGBT5通過R3迅速放電到R2上的電壓不能擊穿穩(wěn)壓管ZD1。

（3）箝位電路：由VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6組成，阻斷C1電容向焊機輸出端的放電回路，從而保證焊接過程中無論處于短路還是燃弧狀態(tài)，C1電容上電壓始終保證在350 V以上。

3 維弧電路工作原理分析

根據(jù)上文分析，維弧電路中通過充電電路對C1進行充電到350 V，并通過放電電路使C1電壓保持在350～450 V，因此為分析方便，將圖1電路簡化如圖2所示，對輸出EP極性和EN極性變化的半個周期內各時刻工作情況進行分析，如圖3所示。

（1）t0～t1期間。t0～t1期間，IGBT1、IGBT4導通，主回路中電流流向為：主變壓器T1→VD1（VD2）→L1→IGBT1→OUT2→OUT1→IGBT4→主變壓器中心抽頭，如圖4所示。在此過程中，電感L1存儲了一定的能量，且L1的極性為左“正”右“負”。

（2）t1～t2期間。在t1時刻：IGBT1、IGBT4關斷，IGBT2、IGBT3開通。由于C1兩端的電壓始終保持在350 V以上，IGBT1、IGBT4除了電容C1，沒有其他緩沖回路，所以在IGBT1、IGBT4剛開始關斷時，uL1的電壓小于C1兩端的電壓，加速IGBT1、IGBT4的快速關斷，流過IGBT1、IGBT4和輸出端的主回路電流迅速衰減，在L1上產生很高的電壓uL1，極性將變?yōu)橛摇罢弊蟆柏摗?。當uL1電壓達到C1兩端的電壓，將使VD1、VD2導通，C1電容將吸收L1上的感應電壓uL1，同時uAB的電壓被箝位到電容C1的兩端電壓uC1，即uAB=uC1，如圖5所示。

（3）t2～t3期間。在t2時刻，輸出電流衰減到零，IGBT1、IGBT4徹底關斷，IGBT2、IGBT3已經開通，uAB的電壓通過IGBT2、IGBT3加載到輸出端OUT1和OUT2上，該電壓超過350 V，可幫助電弧重新引燃。此后，電流流向為：主變壓器T1→VD1（VD2）→L1→IGBT2→OUT1→OUT2→IGBT3→主變壓器中心抽頭，如圖6所示。t0～t3為半個周期，后半個周期與t0～t3原理一樣。

4 實驗測試結果

4.1 實際工作波形

采用電阻負載實驗測試結果如圖7所示。根據(jù)焊接工藝要求及其實際工作情況，設定工作頻率為150 Hz，占空比50%。EP極性和EN極性的電流均為150 A。在焊接過程中，電容C1兩端的電壓始終保持在350 V以上，電流換向過程中均迅速下降或者升高到零，電流過零后電容C1上的電壓都被充電，吸收回路中電感產生的感應電壓，當電流過零點后，焊機輸出端釋放出瞬時高于350 V的電壓，使得電流迅速過零點并繼續(xù)迅速上升到一定值，此過程可以保證在焊接過程中電流過零點電弧重新引燃，不發(fā)生斷弧現(xiàn)象。

交流脈沖（碳鋼）實際焊接波形如圖8所示。在EP極性階段，脈沖基值電流為30 A，在EN極性階段，脈沖基值電流為60 A。焊接過程中在每個脈沖的基值即將結束時進行電流換向?？梢钥闯?，在電流換向過程中，電流迅速過零點，電弧被重新引燃，焊接過程穩(wěn)定。

交流脈沖（鋁合金）實際焊接波形如圖9所示。

在EP極性階段，脈沖基值電流為80 A，在EN極性階段，脈沖基值電流為60 A。鋁合金的交流脈沖控制方法不同于碳鋼的交流脈沖控制方法，電流換向在脈沖基值的中間階段進行。從圖中可以看出，在電流換向過程中，電流迅速過零點，過程穩(wěn)定。

4.2 實際焊縫剖面

1.2 mm板厚的碳鋼搭接焊在不同交流比率條件下的焊縫剖面如圖10所示。焊接規(guī)范為：設定電流75 A，設定電壓20 V，焊接速度60 cm/min。

2.0 mm板厚的鋁鎂合金1.0 mm間隙搭接焊在不同交流比率條件下的焊縫剖面如圖11所示。焊接規(guī)范為：設定電流75 A，設定電壓18 V，焊接速度50 cm/min。

碳鋼不同交流比率焊縫熔深對比如表1所示，鋁合金不同交流比率焊縫熔深對比如表2所示，由圖10、圖11及表1、表2可知，在送絲速度和焊接速度不變的情況下，隨著交流比率的增加，熔深明顯變淺。交流脈沖MIG焊接可控制焊縫熔深，有效解決薄板焊接時的燒穿問題，可用于0.5 mm厚鋁合金板的焊接。

5 結論

維持交流MIG焊接電源焊接電弧穩(wěn)定的關鍵有兩個：一是盡量加快電流的極性切換速度，降低再引燃電弧的難度;二是在電弧熄滅的瞬間，采取有效措施給電弧空間施加一定的再燃弧電壓，重新引燃電弧。文中通過箝位電容C1及箝位電路，實現(xiàn)在交流輸出過零點時，在輸出端產生一個高于350 V的電壓幫助電弧重新引燃，從而實現(xiàn)交流MIG焊接電弧的穩(wěn)定。

與直流脈沖MlG焊接相比，交流脈沖MIG焊接的電弧能量被更有效地用于焊絲的熔化加熱，熱輸入低、熔深可控、間隙適應能力強、焊接變形小，在薄板高速焊接時可有效解決燒穿問題。

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收稿日期：2020-06-10

作者簡介：侯潤石（1978— ），男，博士，高級工程師，主要從事智能化焊接電源及焊接機器人的研究工作。E-mail：hours@kaierda.cn。