使用脉冲方式焊接时，由于基值电流较小，电弧的刚直性较差，容易发生电弧偏吹^［

图1  电弧偏吹时电流电压波形

Fig.1  Current and voltage waveform diagram when arc biasing

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由图1可知，当发生电弧偏吹时，脉冲焊接电流波形保持稳定，受影响较小，而脉冲焊接电压尤其是基值阶段的电压呈现上升的趋势。在脉冲焊接过程中，焊接电压的稳定性对焊接电弧的稳定性有很大的影响，保持稳定的焊接电弧是确保焊接质量的重要因素之一。

在脉冲焊接中，基值电流的大小会影响基值电压的稳定性，从而可能对电弧的稳定性产生影响。增大基值电流能够维持电弧的稳定性，从而减弱电弧偏吹的影响，然而基值电流的增加直接影响了熔滴的过渡频率，尤其是在中小电流段，基值电流的增加会导致熔滴过渡频率降低，直接影响焊缝成形和熔深，造成焊接不良。因此本文从间断性增大基值电流的角度出发，进行波形的控制改善，如图2所示。

图2  第二脉冲电流波形控制

Fig.2  Pulsating current control graph

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图2中上方为主机电流基值阶段增加第二脉冲电流波形，下方为从机电流基值阶段增加第二脉冲电流波形。第二脉冲波形控制的主要参数有峰值电流、峰值时间和脉冲个数3项。为保证良好的焊接效果，在焊接过程中根据基值阶段实际电压的变化实时调整第二脉冲的峰值电流和峰值时间。

第二峰值电流的调整方法如下：

IPA_snd=IBA_fst $+\frac{\mathrm{I}\mathrm{B}{\mathrm{V}}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}}-\mathrm{I}\mathrm{B}{\mathrm{V}}_{\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{\mathrm{I}\mathrm{B}{\mathrm{V}}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}}}\times \mathrm{K}{\mathrm{P}}_{\mathrm{1}}$

式中　IPA_snd为第二脉冲的峰值电流；IBA_fst为第一脉冲的基值电流；IBV_std为基值电压的标准值；IBV_fed为基值电压的实际反馈值；KP₁为第二峰值电流的调整系数。

第二峰值时间的调整方法如下：

IPT_snd=IPT_std $+\frac{\mathrm{I}\mathrm{B}{\mathrm{V}}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}}-\mathrm{I}\mathrm{B}{\mathrm{V}}_{\mathrm{f}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{\mathrm{I}\mathrm{B}{\mathrm{V}}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{d}}}\times \mathrm{K}{\mathrm{P}}_{\mathrm{2}}$

式中　IPT_snd为第二脉冲的峰值时间；IPT_std为第二脉冲预设的标准时间；IBV_std为基值电压的标准值；IBV_fed为基值电压的实际反馈值；KP₂为第二峰值时间的调整系数。

确定好控制方法后，开始进行数据调试确定相关的调整系数。改变第二脉冲峰值电流和第二脉冲峰值时间，经焊接试验推导出第二脉冲峰值电流调整系数KP₁和第二脉冲峰值时间调整系数KP₂，并将推导出的KP₁、KP₂值保存到专家数据库中。以主从机设定电流240 A为例，保持设定电压、干伸长和焊接速度不变，只改变第二脉冲峰值电流的大小，制定焊接试验数据调试表，如表1、表2所示。

表1  第二脉冲峰值电流调整系数KP₁焊接试验

Table 1  Second pulse peak current regulation coefficient KP₁ welding test

主机 设定电流/A	主机 设定电压/V	干伸长 /mm	从机 设定电流/A	从机 设定电压/V	焊接 速度 /m·min-1	第一脉冲基值电流/A	第二脉冲峰值电流/A
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	140
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	170
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	200
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	230
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	260
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	300

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表2  第二脉冲峰值时间调整系数KP₂焊接试验

Table 2  Second pulse peak time adjustment coefficient KP₂ welding test

主机 设定电流/A	主机 设定电压/V	干伸长 /mm	从机 设定电流/A	从机 设定电压/V	焊接 速度 /m·min-1	第一脉冲基值电流/A	第二脉冲峰值电流/A
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	0.2
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	0.4
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	0.6
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	0.8
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	1.0
240	27.2	22	240	29.4	1.0	110	1.2

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参照设定电流240 A的调试方法，推导出其他电流段的KP₁、KP₂值，保存到焊接专家数据库中。调试过程中发现当设定电流较小时，脉冲基值维持时间比较长，如果增加一个第二脉冲电流，偶尔会出现基值电压不稳的情况，增加第二脉冲个数后，基值电压稳定性提升，偶发的基值电压不稳情况减少。不同设定电流的实际焊接电流和电压波形如图3~图8所示，图中上方波形为实际焊接电压波形，下方波形为实际焊接电流波形。

图3  设定电流80 A焊接电流、电压波形

Fig.3  Current and voltage waveform graph of 80 A

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图4  设定电流140 A焊接电流、电压波形

Fig.4  Current and voltage waveform graph of 140 A

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图5  设定电流200 A焊接电流、电压波形

Fig.5  Current and voltage waveform graph of 200 A

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图6  设定电流240 A焊接电流、电压波形

Fig.6  Current and voltage waveform graph of 240 A

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图7  设定电流280 A焊接电流、电压波形

Fig.7  Current and voltage waveform graph of 280 A

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图8  设定电流320 A焊接电流、电压波形

Fig.8  Current and voltage waveform graph of 320 A

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从图3~图8焊接试验结果看，不同的设定电流下增加第二脉冲后，都可以提升脉冲基值电压的稳定性，减少出现电弧偏吹的现象，但是第二脉冲的个数有所不同。在设定电流为80 A和140 A时，脉冲基值电流小且维持时间较长，容易受到干扰出现电弧不稳的现象，当第二脉冲的个数增加至2~3个后，有利于提升电弧的抗干扰能力。图5~图8设定电流为中大电流段，脉冲基值电流高且维持时间较短，增加1个第二脉冲即可。在实际焊接中，脉冲基值阶段出现短路过渡时，如图5、图6所示，此时暂不输出第二脉冲，否则液桥会在大电流下爆断产生较大的飞溅，因此当短路过渡完成进入燃弧阶段后再输出第二脉冲，更利于焊接电弧的稳定。

将开发的第二脉冲电流控制方法在U型肋板上进行多焊机多焊枪的焊接验证，U型肋板材质为碳钢Q235，底板厚度12 mm，立板厚度14 mm。采用专机系统，系统中配备16台焊接电源，8把双丝焊枪，使用直径1.2 mm MG-51T碳钢焊丝，焊接速度1.2 m/min，焊脚尺寸大于8 mm。观测焊接过程中尤其是焊接到工件末端时电弧的稳定性，并使用长时间波形记录仪采集焊接电流电压波形，整套焊接平台参见图9。

图9  U型肋焊接试验平台

Fig.9  Welding test platform of U-rib

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双丝焊接模式的主机与从机常使用反相位模式，即主机峰值阶段对应从机基值阶段，主机基值阶段对应从机峰值阶段，双丝反相位模式焊缝宽、焊接飞溅小，适用于大多数的材质和应用场景。由于双丝焊接时两个电弧之间有很强的吸引力，峰值阶段的电弧力很强，容易将另一个处于基值阶段的电弧吸引过来，影响电弧的指向性，因此触发第二脉冲的时刻非常重要。主机按专家数据库中的参数正常输出，从机受到主机的控制，试验主机处于不同的脉冲阶段时，触发从机输出第二脉冲对电弧的影响，制定试验参见表3。

表3  双丝焊接模式主机触发从机第二脉冲时刻试验

Table 3  Double wire welding mode main engine trigger slave second pulse time test table

主机 设定电流/A	主机 设定电压/V	干伸长 /mm	从机 设定电流/A	从机 设定电压/V	焊接速度 /（m·min-1）	主机触发从机 第二脉冲时刻
300	29.4	23	280	30.2	1.2	脉冲上升阶段
300	29.4	23	280	30.2	1.2	脉冲峰值初始阶段
300	29.4	23	280	30.2	1.2	脉冲峰值结束阶段
300	29.4	23	280	30.2	1.2	脉冲下降阶段

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试验中主机设定电流和电压、从机设定电流和电压、干伸长、焊接速度等参数保持不变，只改变触发从机第二脉冲的时刻，观察电弧的变化，焊接波形如图10~图14所示，图中自上而下分别是主机电压波形、主机电流波形、从机电压波形、从机电流波形。

图10  主机脉冲上升阶段触发

Fig.10  Trigger in the pulse rises phase of leader

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图11  主机脉冲峰值初始阶段触发

Fig.11  Trigger in the initial pulse peak of leader

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图12  主机脉冲峰值结束阶段触发

Fig.12  Trigger in the end pulse peak of leader

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图13  主机脉冲下降阶段触发

Fig.13  Trigger in the pulse falling phase of leader

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图14  U肋板焊缝成形

Fig.14  Weld forming draw of U-rib

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图10为主机脉冲上升阶段触发从机输出第二脉冲，从机电压整体平稳，但是主机基值电压出现增大的现象，焊接过程中观察发现主机电弧出现抖动的现象；图11为刚进入主机峰值阶段就触发从机输出第二脉冲，主机焊接状态始终保持稳定，从机基值电压不稳定，实际焊接也是存在间断性的电弧漂移；图12为主机脉冲峰值结束后刚进入下降的拐点处触发从机输出第二脉冲，整个焊接过程主机和从机整体上保持稳定，从机偶尔出现不严重的电弧抖动；图13为主机下降阶段触发从机输出第二脉冲，整体焊接过程始终保持稳定，焊接效果最好。当采用图13的控制方式实际焊接测试，电弧稳定成形美观（见图14），焊脚尺寸大于8 mm，熔深满足焊接要求（见图15）。

图15  U肋焊接金相

Fig.15  Welding metallographic draw of U-rib

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