卢立晖1， 曹晨光1， 张立华1， 石 玗2， 樊 丁2
(1. 曲阜师范大学大学 工学院，日照 276826; 2. 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料重点实验室，兰州 730050)
摘 要： 双弧脉冲熔化极惰性气体保护焊(dual-arc pulsed MIG welding)是一种低能量输入的焊接方法，针对其过程中存在的主旁弧脉冲电流波形匹配以及耦合电弧稳定性的问题，分析并提出了以高性能数字信号处理器(DSP)为控制核心的嵌入式控制策略. 在此基础上，进行了双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统的软硬件设计，可以通过编程灵活实现脉冲电流波形的时序控制和焊接过程控制的各种算法，并进行了铝合金-镀锌钢平板堆焊试验，在较低能量输入时得到了良好的焊缝效果. 结果表明，该系统能够满足双弧脉冲MIG焊的控制要求，保证焊接过程的稳定进行，焊接效果良好.
关键词： 双弧脉冲熔化极惰性气体保护焊；低能量焊接；嵌入式；数字信号处理器
随着国家产业的升级换代以及受能源危机与环境问题的影响，船舶、集装箱、汽车等制造业逐渐向节能降耗、保护环境和轻量化的方向发展，许多传统的钢铁结构已开始逐渐被综合性能更为优良的轻质合金、镀层钢板以及异种金属结构所替代[1]. 这也对焊接过程中能量输入的控制提出了更高的要求，既要保证焊接过程的稳定，又要尽量减少热能输入，避免焊接缺陷. 因此，研究精确控制型低能量输入焊接方法，有效地控制焊接热能输入和熔滴过渡过程，提高焊接过程的稳定性，对于满足市场需求和提高焊接产品质量具有重要的意义.
国内外学者利用激光焊、电子束焊、钎焊、摩擦焊等技术均已成功实现对热输入敏感的镀锌薄钢板、铝合金薄板、铝-钢异种材料的焊接，并获得了良好的效果[2-4]，但这些焊接方法普遍存在成本相对较高、应用场合受限等问题. 因此，如何利用工业生产中应用最为广泛的电弧焊技术实现精确的低能量焊接，对推动新型轻质合金、高强薄板以及异种金属结构的广泛应用有着重要的工程意义.
在旁路耦合电弧焊基础上提出的双弧脉冲MIG焊方法，通过旁路电弧和脉冲电流波形的引入，能够精确控制焊接熔滴过渡及母材热输入，在低能量焊接方面具备一些独特的优点[5-7]. 因此，针对工作原理和特点，建立双弧脉冲MIG焊的稳定性控制系统，实现其低能量焊接显得尤为必要.
1.1 双弧脉冲MIG焊原理
双弧脉冲MIG焊的原理结构如图1所示，在焊丝与工件的主弧中间并入TIG旁路电弧对流入母材的电流进行分流，并采用两路脉冲焊接电源，分别对主旁路电弧提供能量.
图1 双弧脉冲MIG焊原理结构示意图
Fig.1 Schematic of dual-arc pulsed MIG welding
该结构原理是基于精确控制母材热输入和尽可能促进熔滴过渡两方面考虑的. 就控制热输入的角度而言，TIG旁路电弧的引入，分流流经母材的电流，降低母材热输入水平，并且可以通过对旁路电弧电流的调节来合理调整母材热输入. 此外，主弧和旁路电弧均采用脉冲电源也有利于热量输入的精确控制；就熔滴过渡的角度而言，TIG旁路电弧的引入，改变了电弧力的分布，降低了熔滴自由过渡的临界电流，促进熔滴过渡. 同时，主旁路电弧采用脉冲电流波形进一步降低其临界过渡电流，使在更低的母材热输入下熔滴仍能稳定持续的自由过渡成为了可能.
与采用短路过渡的CMT方法[8]相比，双弧脉冲MIG焊能够实现低能量下的熔滴自由过渡，而且从该方法原理上看，对脉冲电源的动特性要求不高，相对成本较低.
1.2 脉冲电流波形的控制与协调
由于采用的两台脉冲焊接电源各自为政，因此在双弧脉冲MIG焊过程中，主弧和旁弧脉冲电流波形的控制与协调成为首先要解决的问题. 为满足主弧和旁弧的脉冲电流波形同步匹配及实时可控的要求，将两路脉冲电源在保留原主电路的基础上，对其控制电路进行调整，使用同一块控制芯片进行统一协调控制，脉冲电流参数统一给定，这样通过对控制芯片的统一编程就可以实现两路脉冲电流波形的控制与协调. 控制电路除了具有常规的逻辑控制能力外，还需要系统具有非常快的响应速度和精度，同时控制电路应具备足够的可靠性，因此，该焊接电源系统选用的控制芯片为高性能DSP控制器TMS320F2812. 图2为设计的双弧脉冲MIG焊脉冲焊接电源系统的控制电路结构示意图.
图2 脉冲焊接电源系统控制电路结构
Fig.2 Control circuit structure of pulse welding power supply system
1.3 双弧脉冲MIG焊稳定性控制思路
在开环的情况下，进行双弧脉冲MIG焊低能量焊接工艺试验时发现，外界干扰对耦合电弧的稳定性影响很大，容易导致耦合电弧形态的不稳定，表现为主旁路弧长的剧烈波动，难以进行稳定的焊接. 分析其原因主要是由于采用恒流脉冲电源，耦合电弧的自调节能力很差造成的，因此，耦合电弧的稳定性控制成为必须解决的一个关键问题. 前期的大量工艺试验表明，由于旁路电弧采用TIG焊枪，旁路电弧的稳定性主要取决于主路电弧，只要主路电弧稳定，整个耦合电弧就会维持稳定的状态. 因此，通过控制主路电弧的稳定来保证整个耦合电弧的稳定的控制思路是可行的. 提出的双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统的控制策略如图3所示.
图3 双弧脉冲MIG焊控制策略
Fig.3 Control strategy of dual-arc pulsed MIG welding
双弧脉冲MIG焊的控制策略分为三个闭环回路，一方面，通过旁弧电流环和母材电流环，来保证焊接过程中旁弧电流和母材电流的稳定，使得能量输入精确可控；另一方面以主弧平均电压为反馈信号，调整焊丝送进速度，来稳定主弧弧长，从而稳定整个耦合电弧的形态.
2.1 系统总体设计
根据双弧脉冲MIG焊的工作原理和稳定性控制策略，其嵌入式控制系统主要实现以下功能,主旁弧脉冲电流波形的控制与协调、主弧弧长的稳定性控制、电信号的采样反馈、开关量控制、XY双轴工作台的运动控制等.
图4是双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统结构示意图. 如图4所示，ADC模块负责焊接过程中的电信号的采集以及给定值的设定，采集得到的反馈信号和给定值进入DSP，经过PID控制器的稳定性判断分析，并将控制结果分别通过DAC模块和事件管理器的PWM电路输出，调整送丝速度和脉冲电流波形，稳定焊接过程；GPIO模块负责引弧、送丝、送气等开关量的控制；xy双轴工作台的运动速度和运动方向由PWM电路输出步进脉冲和转向脉冲来实现；此外，该嵌入式系统还可以通过SCI模块与工控机进行焊接过程数据交换和控制命令传输.
图4 双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统结构示意图
Fig.4 Structure diagram of embedded control system for dual-arc pulsed MIG welding
2.2 控制系统硬件和软件设计
根据前面所述的双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统所要完成的功能，其硬件主要包括焊接电源部分、控制电路部分、XY双轴工作台以及由CCD摄像机、视频采集卡和工控机构成的视觉传感部分. 其中控制电路是硬件设计核心，包括DSP 最小系统、采样反馈电路、DAC转换电路、送丝机调速电路以及SCI通信电路.
软件部分(图5)分为以下几个功能模块,初始化模块、主程序模块、各功能子模块以及视觉传感模块. 初始化模块在系统启动时开始运行，被主函数先后调用，主要完成DSP系统的初始化以及各子功能模块的初始化. 主程序主要负责初始化焊接参数的预置、焊接时序控制以及调用各功能子模块，实现相应的控制. 视觉传感模块是为实时观察耦合电弧形态而独立设置的模块，通过虚拟仪器软件LabVIEW编程实现.
双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统的两路脉冲电流都直接由DSP通过编程方式控制输出，减少了两台焊机之间的通信环节，可直接实现脉冲时序控制，使主旁路两台焊机具有更好的一致性. 利用 DSP 强大的信号处理能力，以及软件灵活实现的各种控制算法，可以探索和试验各种复杂的电流控制工艺，实现复杂的信号处理算法和智能控制算法，优化双弧脉冲MIG焊的焊接工艺.
图5 双弧脉冲MIG焊嵌入式控制软件系统结构
Fig.5 Software structure of embedded control system
3.1 试验条件及参数
为验证双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统的焊接效果，进行了铝合金-镀锌钢平板堆焊试验. 母材采用镀锌层厚度100 g/m2的镀锌钢板(基体为Q235低碳钢)，板材规格为300 mm×100 mm×2 mm，焊前用丙酮清洗，以除去表面污渍. 填充焊丝采用直径1.2 mm的ER5356铝合金焊丝.主路氩气流量为20 L/min，旁路氩气流量为5 L/min，焊接速度为11.67 mm/s；具体脉冲电流参数，如表1所示.
3.2 试验结果及讨论
图6是视觉传感模块采集到的耦合电弧形态. 从图中可以看出，旁路电弧产生的电磁力径向分力会加速熔滴的缩颈，而轴向分力会促使熔滴的脱离；
表1 脉冲电流参数
Table 1 Parameters of pulsed current
旁弧峰值电流Ia/A旁弧基值电流Ib/A母材峰值电流I/A母材基值电流I/A脉冲频率f/Hz占空比δ(%)8616160108020
而且旁路电弧的存在使得主弧弧根很容易就产生扩展，并包围熔滴，可以减小熔滴过渡临界电流，有利于实现小电流下熔滴稳定的自由过渡过程.
图6 耦合电弧形态
Fig.6 Shape of coupling arc
图7,图8是焊接过程中一组典型电流电压信号，时间长度为100 ms. 从图7中可以看出，主弧和旁弧脉冲电流波形匹配良好，表明嵌入式控制系统对脉冲电流波形的时序和相位控制效果良好. 熔化焊丝的总平均电流在70 A左右，而流经母材的平均电流只有40 A左右，可以看出，整体能量输入较小，适合进行对热输入要求较高材料的焊接.
图7 焊接电流信号
Fig.7 Welding current signals in control process
图8 焊接电压信号
Fig.8 Welding voltage signals in control process
图9是嵌入式控制系统在稳定主弧弧长时，通过DAC模块输出的送丝速度的变化情况，当干扰使得主弧弧长变短时，控制系统的输出调整送丝速度迅速减小，使得熔化速度大于送丝速度，以拉长电弧恢复到稳定状态，反之亦然. 从图中可以看出，送丝速度在控制器的作用下实时调整，保证了耦合电弧的稳定性. 图10是铝合金和镀锌钢板进行堆焊工艺试验时得到的焊缝成形，焊缝表面光滑平整，锌的烧损较小，整体结构变形较小，焊接效果良好.
图9 控制器调节的送丝速度的变化
Fig.9 Change of wire feeding speed in control process
图10 铝-钢堆焊焊缝形貌
Fig.10 Weld appearance of aluminum-steel
(1) 分析了双弧脉冲MIG焊的特点和控制要
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求，实现双弧脉冲MIG焊方法必须解决的两个关键问题,主弧和旁弧脉冲电流波形的控制与协调，以及耦合电弧的稳定性问题；针对这两个问题，提出了以高性能DSP为控制核心的嵌入式控制策略.
(2) 设计实现了双弧脉冲MIG焊嵌入式控制系统，并进行了铝合金-镀锌钢平板堆焊试验，在较低能量输入时得到了良好的焊接效果. 结果表明，该系统能够实现主弧和旁弧脉冲电流波形的协调控制，满足双弧脉冲MIG焊的控制要求，保证了焊接过程的稳定进行，焊接效果良好.
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收稿日期： 2015-11-27
基金项目： 国家自然科学基金资助项目(51405262)；曲阜师范大学科技计划项目(xkj201406)；曲阜师范大学实验室开放基金项目(SK201513)
中图分类号： TG 409
文献标识码： A
doi：10.12073/j.hjxb.20151127001
作者简介： 卢立晖，男，1985年出生，博士，副教授，硕士研究生导师. 主要研究方向为焊接物理及焊接自动化. 发表论文15篇. Email： lulihui@126. com
收稿日期： 2016-11-04
基金项目： 国防科工局技术基础科研项目(JSCG2017606B005)
*参加此项研究工作的还有黄 勇
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