肖珺，王志浩，陳樹君，蓋勝男

(北京工業(yè)大學(xué)智能成形裝備與系統(tǒng)研究所,汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心,北京,100124)

0 序言

熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)是目前最常用的一種焊接方法，同時也是金屬材料增材制造(3D 打印) 一種重要的基礎(chǔ)工藝.熔化極用于焊接和增材制造的主要優(yōu)勢在于其熔敷效率高[1-6].而傳統(tǒng)熔化極電弧的自身強(qiáng)耦合特性導(dǎo)致無法根據(jù)特定任務(wù)的需求，自由控制電流電壓波形和熔滴過渡行為以得到預(yù)期的熱、質(zhì)、力傳遞狀態(tài)，難以適應(yīng)現(xiàn)代精密焊接加工和增材制造的應(yīng)用需求.因此，如何改善低熱輸入下熔滴過渡問題成為熔化極氣體保護(hù)焊領(lǐng)域一個重要挑戰(zhàn)，其關(guān)鍵在于附加外力作用于熔滴，替代電弧電磁力的作用.Fronius 公司在2004 年提出一種冷技術(shù)過渡技術(shù)(cold metal transfer,CMT)，利用送進(jìn)-回抽往復(fù)送絲控制方法，主動促進(jìn)熔滴短路后回抽焊絲拉斷液橋，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的柔順無飛濺短路過渡；肖珺等人[7-8]在傳統(tǒng)熔化極電弧焊接過程中使用激光脈沖照射熔滴，獲得完全電流解耦的熔滴過渡，過渡形式可以是短路過渡或射滴過渡，但是其激光瞄準(zhǔn)精度要求較高且設(shè)備較為復(fù)雜；此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)Zhang 等人[9]提出一種利用液滴強(qiáng)迫共振促進(jìn)其過渡的方案，通過凸輪-彈簧裝置巧妙地實(shí)現(xiàn)了電極的往復(fù)振動激發(fā)熔滴振蕩，但由于凸輪系統(tǒng)慣性導(dǎo)致頻率上限較低，不能實(shí)現(xiàn)完全的熔滴過渡解耦.哈爾濱工業(yè)大學(xué)Fan 等人[10]嘗試將超聲聲場復(fù)合到GMAW 焊接電弧空間中，在超聲輻射力加入后能有效提升射滴過渡頻率，但還未能達(dá)到完全解耦的程度，且對于短路過渡控制效果不明顯[11-12].

綜上分析，對于直流或是交流GMA 電弧熔滴過渡解耦控制的需求，目前仍有必須探索尋求一種結(jié)構(gòu)簡單、高動態(tài)響應(yīng)、低成本易使用、不破壞電弧和熔池穩(wěn)定且能主導(dǎo)熔滴過渡行為的控制方法.文中提出一種新的高動態(tài)送絲啟停控制思想，試圖在亞毫秒級響應(yīng)時間內(nèi)完全鎖止再釋放焊絲，產(chǎn)生慣性力驅(qū)動熔滴過渡，并基于壓電致動器實(shí)現(xiàn)了對短路過渡行為的主動控制.

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

文中設(shè)計的壓電驅(qū)動GMA 焊接試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示，主要由組合壓電致動器焊槍、恒流焊機(jī)、行走滑臺、高速攝像、以及上位機(jī)控制系統(tǒng)組成，系統(tǒng)運(yùn)行過程為上位機(jī)軟件進(jìn)行焊接參數(shù)設(shè)定，焊接進(jìn)行啟動高速攝像實(shí)時記錄熔滴過渡過程，行走滑臺同時觸發(fā)以恒定速度送進(jìn)，實(shí)時調(diào)控送絲速度，穩(wěn)定電弧平衡熔化速度與送絲速度穩(wěn)定焊接過程，實(shí)時采集電流電壓信號，而后完成焊接任務(wù)退出程序.

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件圖Fig.1 Configuration of the experiment system

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程焊絲均采用ER50-6 焊絲，母材為Q235 鋼.壓電致動輔助GMAW 方法原理如圖2 所示，為清晰描述壓電致動器作用下熔滴狀態(tài)變化，圖中未對電弧做出標(biāo)識、繪制.焊接過程中通過主動調(diào)控送絲速度與焊絲熔化關(guān)系，控制弧長穩(wěn)定，而后進(jìn)行壓電致動器鎖止焊絲動作，且鎖止期間(ms 級)后端送絲機(jī)一直處于送進(jìn)狀態(tài)，后端焊絲會產(chǎn)生一定累計形變，而后壓電釋放焊絲，后端焊絲積累的彈性勢能轉(zhuǎn)化為焊絲和熔滴動能，主動創(chuàng)造熔滴對地加速度.熔滴在焊絲積累彈性勢能的作用下，焊絲先對其做功(文中稱為“充能”)，熔滴被壓縮至扁平狀，而后隨著焊絲逐步釋放完成，熔滴積累的勢能開始釋放，熔滴呈現(xiàn)軸向拉伸的趨勢，且隨時間的延長而加劇，并逐漸接觸熔池，熔滴與熔池接觸后在未消散的慣性力作用下脫離焊絲，完成過渡過程.而后下一壓電動作周期到來重復(fù)上述過程.在這一機(jī)理作用下主動創(chuàng)造短路過渡過程，解決小電流下短路過渡無序且容易扎絲造成熄弧，焊接過程不穩(wěn)定的問題.

圖2 壓電驅(qū)動短路過渡原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of piezo drive short-circuit transition principle

在這一控制思想指導(dǎo)下，分別探究其對直流正極性(direct current electrode positive,DCEP)以及直流反極性(direct current electrode negative,DCEN)短路過渡的控制效果.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 壓電驅(qū)動DCEP-GMA 短路過渡

試驗(yàn)過程中，焊接電流恒流為100 A，其他焊接參數(shù)(焊接電流、壓電工作頻率、壓電鎖止時間)設(shè)定見表1.

表1 壓電驅(qū)動DCEP-GMA 短路過渡試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Piezo-driven DCEP GMA short-circuit transfer experiment parameters

如圖3 所示，試驗(yàn)1 中將壓電致動器的頻率為40 Hz，鎖止時間為10 ms，相應(yīng)釋放時間設(shè)置為15 ms，熔滴伴隨壓電致動器鎖止焊絲時開始生長，且此時焊絲的熔化速度必定大于其送絲速度(此時焊絲被鎖止，壓電致動器下方的送絲速度為“0”)，所以熔滴在焊絲的端部也伴隨著熔化和電弧熱量的積累，呈現(xiàn)一定的背離熔池向上熔化的趨勢.但是，當(dāng)壓電致動器伸長鎖止焊絲的周期結(jié)束，焊絲被釋放直至釋放結(jié)束，此期間焊絲釋放瞬間熔滴先被壓縮而后隨著壓縮程度的加劇，熔滴大致呈現(xiàn)出一定的扁平狀，而后熔滴開始從扁平狀開始舒展并伸長，直至熔滴底部觸碰熔池發(fā)生瞬時短路，熔滴也順利地從焊絲端部進(jìn)入熔池，完成一次熔滴過渡過程.

圖3 40 Hz-10 ms 壓電驅(qū)動短路過渡Fig.3 40 Hz-10 ms piezo-driven short-circuit droplet transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d) approaching weld pool;(e) short-circuiting and necking;(f) ending the transition

根據(jù)高速攝像記錄的完整圖像可以發(fā)現(xiàn)，熔滴在壓電致動器的作用下，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的“一脈一滴”的短路過渡過程，即一次壓電鎖止-釋放焊絲動作，熔滴完成一次生長及觸碰熔池行為，從而完成一次短路過渡行為.

增加組合壓電致動器的工作頻率至60 Hz，調(diào)整壓電致動器的作用時間，分別設(shè)置其鎖止時間-釋放時間為10 ms-6.6 ms，送絲速度依舊維持不變，從記錄的圖像來看，熔滴依舊能夠隨著壓電致動器的每一次鎖止和釋放動作的完成實(shí)現(xiàn)一次短路熔滴過渡過程，高速攝像記錄60 Hz 短路過渡，如圖4 所示.

圖4 60 Hz-10 ms 壓電驅(qū)動短路過渡Fig.4 60 Hz-10 ms piezo-driven short-circuit droplet transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d) pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

繼續(xù)探究高動態(tài)組合壓電致動器作用下該條件下短路過渡的頻率上限，增加其壓電致動器的工作頻率至80 Hz，設(shè)定其鎖止時間依舊均為10 ms，分別設(shè)定釋放時間為2.5 ms，熔滴過渡狀態(tài)如圖5 所示.

圖5 80 Hz-10 ms 壓電驅(qū)動短路過渡Fig.5 80 Hz-10 ms piezo-driven short-circuit droplet transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d)pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

圖4 和圖5 中顯示，均能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的“一脈一滴”的短路過渡，但是從80 Hz 短路過渡過程來看，雖然除釋放時間外其余焊接參數(shù)完全相同，但焊絲端部熔滴累積量和全過程中熔滴被壓縮以及拉伸的程度明顯較60 Hz 壓電驅(qū)動時減弱.

保持上述組合壓電致動器焊槍對焊絲的裝夾以及固定方式不變，增加壓電致動器的工作頻率到100 Hz，其鎖止和釋放時間只能設(shè)置為7.5 ms 和2.5 ms，獲得如圖6 的短路過渡效果.根據(jù)高速攝像記錄的熔滴過渡過程可以發(fā)現(xiàn)，雖然鎖止時間已經(jīng)相較于小于80 Hz 的熔滴過渡試驗(yàn)縮短進(jìn)10 ms 以內(nèi)，但100 Hz 的短路過渡仍取得十分明顯的效果，仍舊是穩(wěn)定的“一脈一滴”；同時，電弧弧長也進(jìn)一步被壓縮.熔滴在壓電致動器的作用下仍可以隨著每一次焊絲釋放碰觸熔池完成一次短路過渡過程.但是，不得不承認(rèn)的是隨著壓電致動器工作頻率的升高，熔滴每一次被拉長能夠接觸熔池的軸向長度越來越小，其能夠主動制造短路的能力有所下降.此模式下，可獲得的短路過渡頻率最高為130 Hz，鎖止時間為6.0 ms，釋放時間為1.7 ms.如圖7 所示，熔滴雖然受到壓電致動器的作用效果與低頻過程相同，但是幾乎觀察不到十分明顯被壓縮的跡象，此時焊絲啟停過程的慣性力作用較弱，熔滴主要依靠熔池表面張力吸附脫離焊絲.

圖6 100 Hz-7.5 ms 壓電驅(qū)動短路過渡Fig.6 100 Hz-7.5 ms piezo-driven short-circuit droplet transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d) pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

圖7 130 Hz-6.0 ms 下壓電驅(qū)動短路過渡Fig.7 130 Hz-6.0 ms piezo-driven short-circuit droplet transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d) pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

2.2 壓電驅(qū)動DCEN-GMA 短路過渡

在壓電驅(qū)動DCEP-GMA 短路過渡取得顯著效果的基礎(chǔ)上，探究其對DCEN 短路過渡的改善情況，相關(guān)焊接試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定見表2，焊接電壓統(tǒng)一設(shè)置為22 V，壓電致動器的鎖止時間也盡可能與DCEP 時保持一致性，由于DCEN 采用恒流源焊接時電弧始終難以穩(wěn)定，焊接過程難以進(jìn)行，因此，改用恒壓源進(jìn)行DCEN 試驗(yàn)探究.

表2 壓電驅(qū)動DCEN-GMA 短路過渡試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Piezo drive DCEN-GMA short-circuit transfer experiment parameters

考慮到DCEN 試驗(yàn)探究的難度相較于DCEP更大，因此，在初始探究環(huán)節(jié)將壓電致動器的起始工作頻率設(shè)置為40 Hz，以期能夠獲得初步預(yù)期的熔滴過渡效果，而后逐步增加壓電動作頻率.

如圖8 所示，40 Hz 的初步探究試驗(yàn)，從圖中可以觀察到當(dāng)焊絲被壓電致動器鎖止時，焊絲端部的熔滴在熔化時仍然存在電磁力和電弧力作用下沿焊絲向上攀爬的趨勢，電弧回?zé)厔萦葹槊黠@，熔滴也呈現(xiàn)出較為明顯的托舉狀；但是當(dāng)焊絲被壓電致動器釋放時，瞬時的加速度使得熔滴在慣性力的作用下，沿焊絲向上攀爬的趨勢進(jìn)一步加深，但是隨著釋放動作的逐漸完成，熔滴沿焊絲向下被拉扯直至重新聚集到焊絲端部，而后進(jìn)一步被拉長直至熔滴接觸到底部熔池并發(fā)生爆斷，而完成一次熔滴的短路過渡過程.

圖8 壓電驅(qū)動40 Hz DCEN 短路過渡Fig.8 Piezo-driven 40 Hz DCEN short-circuit transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d) pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

維持10 ms 的鎖止時間不變，增加壓電致動器的工作頻率至50，60 Hz，焊絲的釋放時間根據(jù)占空比變化分別設(shè)定為10 ms 和6.6 ms，典型過渡行為如圖9、圖10 所示.

圖9 壓電驅(qū)動50 Hz DCEN 短路過渡Fig.9 Piezo-driven 50 Hz DCEN short-circuit.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d) pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition transfer

圖10 壓電驅(qū)動60 Hz DCEN 短路過渡Fig.10 Piezo-driven 60 Hz DCEN short-circuit transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d)pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

由于采用的是恒壓電源，熔滴短路期間仍有較大的短路電流，但熔滴是在壓電驅(qū)動下主動短路，液橋縮頸也主要得益于熔滴本身慣性力的持續(xù)作用，熔滴過渡過程雖然仍有一定飛濺但相比無壓電驅(qū)動時要明顯減少.與壓電驅(qū)動DCEP 熔滴過渡現(xiàn)象對比，可以發(fā)現(xiàn)DCEN 時，熔滴在壓電致動器釋放前、中期受到電弧力等因素的影響，本身就被托舉，焊絲被釋放時可以觀察到焊絲明顯先于熔滴動作，熔滴和焊絲呈現(xiàn)出類似“倒三角錐”的形狀，焊絲裸露于熔滴軸向正下方.

如圖11 所示，在組合壓電致動器的作用下，熔滴在焊絲端部伴隨著每一次鎖止和釋放動作的完成，熔滴均能夠穩(wěn)定進(jìn)行被壓縮和被拉伸動作，穩(wěn)定的觸碰熔池形成穩(wěn)定的短路過渡過程，同時相較于之前的40，50，60 Hz 短路過渡過程，100 Hz 壓電致動器作用下的短路過渡更加緊促有力，熔滴過渡頻率的增加也更有效的抑制了陰極斑點(diǎn)漂移造成的弧長不穩(wěn)定問題.

圖11 壓電驅(qū)動100 Hz DCEN 短路過渡Fig.11 Piezo-driven 100 Hz DCEN short-circuit transfer.(a) initial stage;(b) starting locking;(c) releasing wire;(d)pushing the droplet;(e) contacting melting pool;(f) ending the transition

3 結(jié)論

(1) 在恒流源DCEP-GMAW 過程，基于壓電驅(qū)動獲得了穩(wěn)定“一脈一滴”的受控短路過渡，短路的開始和液橋的斷裂均受到主動控制.

(2) 壓電驅(qū)動短路過渡機(jī)理在于壓電鎖止焊絲期間焊絲累計一定形變，焊絲釋放后形變恢復(fù)破壞弧長穩(wěn)定，主動強(qiáng)迫熔滴與熔池短路，短路期間熔滴仍處于加速狀態(tài)，從而進(jìn)一步促進(jìn)短路液橋的斷裂，完成短路過渡周期.

(3)對于恒壓源DCEN-GMAW 焊接方式，壓電致動器的引入仍可獲得穩(wěn)定的柔順短路過渡，同樣電流下相比無壓電致動輔助短路過渡頻率顯著提高，電弧穩(wěn)定性也隨之明顯改善.