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0 序 言

脉冲熔化极气体保护焊(pulsed gas metal arc welding，P-GMAW)可在平均焊接电流小于临界电流的条件下实现喷射过渡，具有较宽的电流调节范围[1]，同时，由于其焊接飞溅少、生产效率高、熔透性好，焊接热输入小，适合全位置焊接等优点[2-5]，广泛应用于工业生产.

焊接电源外特性对电弧及熔滴过渡的稳定性有很大影响. 常见的电源外特性有平特性(即恒压特性)，垂直特性(恒流特性)、缓降特性及恒流带外拖特性[6]. 丁伟等人[7]对比了平特性及恒流带外拖特性的焊接电源对铝合金GMAW焊工艺的影响.表明采用平特性电源焊接时电弧不稳定，焊丝短路瞬间，焊丝伸出长度爆断，易产生较大飞溅，同时引起电压的瞬时升高. 而采用恒流带外拖特性电源时，电压呈规则的周期性变化，没有无规则的电压、电流剧烈波动，熔滴过渡更稳定. 对于P-GMAW，在脉冲电流和维弧电流阶段选择不同的外特性形状，形成四种常用的外特性组合方法，即恒流-恒流特性、恒流-恒压特性、恒压-恒流特性、恒压-恒压特性[7]. 恒压特性下，电弧具有良好的自调节作用，但容易引起电流波动，使熔滴过渡不均匀；恒流特性下的电弧自调节能力较差，特别是基值期间，电弧长度受外界干扰而变化，当弧长过短时，容易造成焊丝与熔池短路，从而造成飞溅甚至熄弧[8]. 可见单纯的恒流或恒压特性都存在局限性，为此潘际銮等人[9]提出了较为实用的双阶梯外特性，即QHARC 101控制法，脉冲基值工作在“∟”特性，自动保持电弧稳定，且不易出现断弧及短路现象；峰值工作在“ ”特性，保证熔滴过渡均匀的同时可避免电弧过长而烧坏导电嘴.

文中设计了一套具有阶梯外特性的P-GMAW焊接电源，并用该电源进行了不同外特性下的焊接试验，探究了电源外特性对焊接过程尤其是维弧期间稳定性的影响，对P-GAMW电源外特性设计及其工艺应用具有一定的指导意义.

1 P-GMAW电源结构

图1所示为P-GMAW电源结构示意图[10]，恒压源输出电压Uc约为80 V，空载时，功率开关管VT1以最大占空比Dmax(约等于1)导通，电源输出空载电压约为80 V. 焊接时VT1工作在固定频率(20 kHz)[11]，根据电流给定Ig、电压给定Ug信号，由外特性控制电路调节VT1驱动信号PWM(pulse width modulation, PWM)的占空比，输出不同电流及电压. 图1中If为流过开关管VT1的电流峰值反馈信号，UD为续流二极管D两端电压反馈信号，I0为电源输出电流反馈信号， U0为电源输出电压反馈信号，上述4个采样信号作用于外特性控制电路，实现图2所示阶梯型外特性控制，其中a段为空载特性，b段为恒流特性，c段为恒压特性，d段为短路特性. 改变给定条件，焊接电弧将工作在不同特性的曲线上，例如，对于弧长为l的电弧负载，给定条件为Ug1，Ig1时，电弧稳定工作点(A点)处于恒压特性；给定条件为Ug2，Ig2时，电弧稳定工作点(B点)处于恒流特性. 因此改变基值与峰值的给定条件，可使基值与峰值期间的电弧工作点位于不同的外特性段.

图1 P-GMAW电源结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of P-GMAW power source

图2 阶梯外特性示意图
Fig.2 Sketch of stepped output characteristic

2 试验结果及分析

用电阻箱作负载，Fluke 319钳形电流表测量电源输出电流，Fluke 17B数字万用表测量电源输出电压，改变负载阻值，测得给定20 V/100 A条件下的输出电压、电流值并描绘出如图3所示的外特性曲线. 恒流特性段上电压由67 V降到22.4 V，电流波动6.3 A；恒压特性段上电流由100 A增大至497 A时，电压波动2.2 V，且在曲线拐点处无振荡现象.

图3 实测电源外特性曲线
Fig.3 Test result of output characteristic curve

应用上述电源，进行了不同外特性组合下的PGMAW焊接试验，母材为200 mm×50 mm×6 mm的Q235低碳钢板，焊丝为H08Mn2SiA，直径φ1.2 mm，保护气为80%Ar+20%CO2，气体流量15 L/min，送丝速度3.5 m/min，焊接速度300 mm/min，焊接过程中，喷嘴到工件距离固定为15 mm，试验参数及结果统计如表1所示，U-I外特性表示基值为恒压特性，峰值为恒流特性，“∟”表示阶梯外特性. 其它表示方法类似，不再赘述.

表1 试验参数及结果
Table1 Welding parameters and results

序号试验参数试验结果基值电流 基值电压 基值时间 峰值电流 峰值电压 峰值时间 平均电流 平均电压 外特性 工艺效果Ib/AUb/VTb/msIp/AUp/VTp/msIavg/AUavg/V 1 0 23 18 420 0 3 108.2 32.9 U-I 飞溅大，多次熄弧2 0 24 18 0 40 3 76.5 50.5 U-U 飞溅大，频繁熄弧3 40 0 18 0 40 3 93.2 25.2 I-U 飞溅较少，无熄弧4 40 0 18 420 0 3 97.5 26.1 I-I 飞溅较少，偶有短路5 30 23 18 420 0 3 119.5 25.8 ∟-I 飞溅很少，无熄弧，无短路6 50 23 18 0 40 3 105.7 28.1 ∟-U 飞溅极少，无熄弧，无短路

图4所示为焊接试验过程中的电流、电压波形，图5所示为每组参数下的电压、电流概率密度分布曲线，图6所示为焊接电弧V-A特性曲线，图7所示为焊缝外观.

1)原卧倒门支铰座螺栓联结的预紧力矩过小、A2-70-M36螺栓强度不够，是造成联结松动、螺栓断裂的主要原因。

根据1、2组试验可知，基值为恒压特性时，基值电流在 0～100 A 范围内波动 (图 5a，5b，6a，6b所示)，当弧长太长时，因电流过小不能维弧而使电弧熄灭，电弧再引燃过程产生大量飞溅，电弧稳定性差，如图4a，4b中A点所示. 由图5a，5b可以看出，由于基值电流波动大，焊接过程中频繁出现熄弧现象，此时，电流为零，电压为空载电压，空载电压占很大比例，尤其是第2组试验，采用U-U外特性时，熄弧更为频繁，导致空载电压的分布比例最大，因此表1中计算出的平均焊接电压最高. 试验1、2的焊缝外观如图7a，7b所示，飞溅量大，焊缝成形差.

1.5.1 DNA引物 设计mecA基因引物[7]，序列长度533bp。 上游引物（5’3’）：AAAATCGATGGTAAAG GTTGGC；下游引物（5’3’）：AGTTCTGCAGTACCGGATTTGC。

根据3、4组试验可知，基值为恒流特性时，飞溅比1、2组试验减少(图7c，7d)，均无熄弧，但第4组试验偶尔出现短路现象(图4d，6d)，其原因为，试验4基值与峰值均采用恒流外特性，此时无电弧自调节作用，弧长抗干扰能力差. 与图5c相比，图5d的电压概率分布更分散，也证明了I-I特性控制下的弧长波动较大，因此稳定性较差.

某公路工程，需要对HCK2+020—HCK2+780和HCK2+880—HCK2+980进行强夯工作。标准是每隔1860m就进行一次强夯加固，且夯击深度为6～7m。

图4 焊接电流和电压波形(图4a～f对应表1中试验1-6)
Fig.4 Welding current and voltage waveforms of experiments 1-6

根据5，6组试验可知，基值为阶梯特性时，电弧稳定性好，能够消除熄弧及短路现象. 由图5e，6e可知，基值期间，电弧主要工作在恒压特性(23 V)，平均基值电流60 A，高于恒流特性设定值，由于恒流特性的限制，使焊接电流不会小于30 A，当焊接电流小于30 A有熄弧倾向时，电源迅速切换为空载特性，维持电弧稳定燃烧. 同理，当弧长减小甚至有短路倾向时，焊接电压低于恒压特性的设定值，恒压特性将使电流迅速增大并向短路特性移动(图4f中C点所示). 基值期间，电弧工作点不停地在恒流及恒压特性上切换(图4e)，从而避免了熄弧与短路现象. 由图5f，6f知，试验6基值主要为恒流特性，基值平均电流约53 A，基值电压高于设定值23 V. 峰值为恒压特性，平均电压约41 V，与设定值相当. 试验5、6焊缝如图7e，7f所示，试验6焊缝成形更均匀，其原因同上所述，峰值恒压特性时，电弧自调节作用强，弧长更稳定.

对比图4d与图4f可知，基值为恒流特性，当焊丝短路时，基值电流变化不大(图4d中B点)，而阶梯特性可使基值电流迅速增大(图4f中C点)，从而快速消除短路倾向，使弧长恢复正常，达到最佳的堆焊效果.

改进的模型预测直接转矩控制方案的结构框图如图2所示,与传统模型预测直接转矩控制相比,增加了延时补偿环节和优化矢量选择器来提高控制系统的性能.

图5 焊接电流和电压概率分布(图5a～f对应表1中试验1-6)
Fig.5 Probability distribution of welding current and voltage for experiments 1-6

图6 电弧 V-A 特性曲线(图6a～f对应表1中试验 1-6)
Fig.6 The V-A characteristic curves of experiments 1-6

图7 焊缝成形(图7a～f对应表1中试验1-6)
Fig.7 Appearances of weld seams for experiments 1-6

3 结 论

(1)设计了基于BUCK型主电路拓扑的P-GM AW电源，该电源具有阶梯型外特性，根据负载工作点自动选择恒流、恒压、短路或空载特性. 外特性测试结果表明，无论是恒压特性，还是恒流特性，均可实现稳定控制. 在恒流与恒压特性切换点处无振荡.

(2) P-GMAW基值期间采用恒压特性时电弧稳定性差，易熄弧及短路，飞溅较大，熔滴过渡过程不连续. 基值采用恒流特性时，飞溅减少，但由于电弧自调节能力差，不能完全消除短路倾向. 基值采用阶梯型外特性，电弧稳定，飞溅少，且能有效减少甚至消除熄弧或短路现象. 采用基值阶梯型特性加峰值恒压特性组合时，电弧电压稳定，弧长具有自调节能力，焊接效果最佳.

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