脈沖MAG混合氣體保護焊在膜式壁上的應用

    全球性的競爭不斷加劇迫使中小企業格外注重開始使用新的更具競爭力的先進技術。類似MAG和TIG焊的材料接合加工技術自然也包括在這種趨勢內。這些工藝在質量和經濟性方面都有各自的優缺點：
    TIG焊的高質量是眾所皆知的,但其生產效率低，而另一方面，MAG焊卻有著高熔敷率,只是品質有限。
    本文分析了MAG焊工藝的改進,指出隨著該工藝焊接質量的提高,以MAG焊代替TIG焊以增進效率將會成為趨勢。

1. 介紹

    隨著目前全球競爭的加劇中小型企業特別需要通過采用新技術來提高自身的競爭力。類似電弧焊這樣的材料連接加工技術自然也不例外，事實也正如此。在每天的生產實踐中，不計其數的不同焊接工序和焊接工藝方法被廣泛采用。其中也許最重要的就是氣體保護熔化極焊MAG和鎢極惰性氣體保護焊TIG。這些焊接工序都有它們各自的長處以滿足各項應用中對質量和經濟性等不同方面的要求。然而，迫于激烈的競爭，用戶必須越來越頻繁地采用更優化的焊接工藝。有趣的是，相對應的，TIG焊和混合氣保護熔化極焊有著截然不同的優缺點。即，詞語“TIG焊接”不可避免地和“質量”相關聯，而MAG焊接無可厚非地表示“經濟”或“批量”。不巧的是，直到最近，一般都認為取其一必舍其另一。甚至今天，
    仍然常聽見這種老偏見說MAG主要是用于高熔敷率而TIG是唯一高質量的焊接工藝。不應該再這樣了，下面就會給大家作出解釋。

2. 總述

    有2種辦法使用戶能從這種每天面對的二者只可取其一的狀況中解脫出來：
    （1）提高鎢極惰性氣體保護焊的效率---- 熔敷率和焊接速度;
    （2）提高熔化極氣體保護焊的質量，即把已知的缺陷（如飛濺 等）降低到極限，極小到可以忍受的程度，并擴大其應用范圍尤其是更小的可焊厚度。
    為了解釋這二者技術的經濟效率水平的差異，我們將必須進一步分析整個弧焊過程上最重要的元素可能是什么。
    TIG的主要應用是焊薄板材，即使它是全球普遍的焊接方法，也還是以焊接薄板為主。可以看到電弧熱能集中在很短的距離內;靠近陰極大約1～2mm。在這里，我們不作物理理論的探討。這里只是說明這樣的事實－焊工的操作非常關鍵－要焊得好就必須非常穩定的操作鎢極。因為電極和工件之間只有很小的間隙可以把最大電弧能量輸入到母材。不過，這點只能靠高度機械化或自動化來達到－從技術可行性來考慮只有在軌道自動焊厚壁環管焊這樣的特殊情況下才可實現。然而這種情況不能被當作常見的情況考慮，因為還有更多條件苛刻的工況下需要焊接。在很多日常的焊接實踐中工程師們還必須考慮到容許的制造公差，因此自動TIG焊是不現實的。另外TIG的效率無法通過機械化或自動化來提高，它優質的工藝質量與其無可置疑的低效率之間隔著條鴻溝，無法統一。尤其是在薄件焊接時，幾乎沒有其它選擇來代替TIG焊，因為它對母材的熱輸入很集中，甚至是到薄件末端時。由于填充焊絲不必兼作電極的作用，所以不會引起電弧中斷而產生爆破震蕩。尤其在關鍵點焊接時－例如焊縫起點－它可以實現先輸入熱量至母材完全熔化再開始填加焊絲開始焊接。近10年來焊接件的厚度在不斷減小。這主要是由于冶金技術的不斷發展，既有新材料不斷出現，又有舊材料的不斷優化改善。想想如今的現實-- 例如汽車工業中－既要增加厚度來提高強度又要減輕重量，通過機械／科技的進步發明出了復合材料，提高了材料的強度，從而解決了這一矛盾。有色金屬也正在越來越廣泛地被用于日常的制造與工業設計中。在很多技術領域，例如，鋁和鋁合金就已是越來越普遍地采用了。焊接技術必須全力發展以跟上這些技術的發展。與上面提到的相似，如今必須要提高這兩種焊接工藝的經濟來適應社會的發展-----例如對MAG焊而言－提高工業生產中的工藝質量比什么都重要。兩種工藝的目標都是要擴大應用范圍使新的優質的材料得到廣泛充分的利用。如今現代的電子科技裝置開始被引入最新型的焊接電源中，于是霎那間用戶有了用MIG或MAG焊代替TIG焊的方法。這就是為什么從前只有TIG焊能采用的場合如今也出現了一些不同的氣體保護焊工藝的原因。
    MAG電弧整個弧柱區的能量密度均比TIG弧好，有利于增進對母材的熱輸入。當然在熔滴過渡過程中采用不同的保護氣或不同的焊接材料等都會引起溫度分布圖中幾何形狀的不同和溫度的不同。在作更深入的解釋之前，應該要先介紹一下MAG焊接電源的設計原理。這可能有些離題，但能使人更好地理解現代化焊機的歷史與功能。

3. 三種不同的MAG焊機設計原理

    3.1晶體管式焊接電源
    這類MAG焊接電源，焊接電流和電壓是由非閉環控制系統控制。該系統主要靠電阻器來調節，電壓值不按實際焊接回路的電壓差設定。而且，這類焊機內部發熱量大，能量被損耗。經變壓器后，電壓立即被調整，然后經過晶體管調節器直接輸出到電極。內部的發熱能量損耗使其效率較低。與些同時，這類焊機通常又大又重，失去了靈活性，室內室外應用都不方便。這類焊機的特點是有效減小電流波動及使用脈沖弧性能很好。由于它有眾多的缺點，這型焊機不再常用，從市場上逐漸消失了。
    3.2第二代晶閘管式電焊機
    該型焊機具有大的50Hz變壓器，次級接到整流器，電流調節部分為一定頻率的晶閘管開關控（20kHz=20,000Hz）。根據脈沖寬度的不同（周期內持續導通的時間）來控制電弧能量。這型焊機的優點是受電源電壓的波動影響小（電壓峰值）。不過，這些焊機通常電效率低并且由于需要龐大的變壓器而使其體積和重量都不小，這當然是其缺點。
    3.3晶閘管逆變電源（逆變器）
    初級晶閘管開關電源也叫逆變器，是在變壓器主電源一側（初級）升高電壓頻率。采用的是新式的電子元件（MOSFET金屬氧化物半導體場效應晶體管），很高的交換頻率（例如100kHz=100,000Hz）得以實現。這大大地減小了變壓器的體積，從而使整個焊機的體積和重量都大為減小。同時，基于這種原理的焊機具有極高的電效率和發展潛能等。可以在40％暫載率下提供500A焊接電流的焊機僅重38 kg。
高的逆變頻率可使電流波動極小，可以提高電弧在小電流時的穩定性。這些焊機的一個缺點可能是會出現電磁波輻射（EMC）。不過，遵照CE標準，采用適當的過濾器后電磁輻射可以被降低到規定值以下。
    3.4全數字化焊機
    迄今所有的焊機類型中，全數字化焊機是最先進最新式的。該型焊機將傳統逆變焊機的模擬控制（即影響焊機品質的主要部分）改為了數字化控制或“DSP”。通過這種方法來實現以軟件形式為基礎的特性來代替硬件形式的特性。這表示所有有關電弧的要求都可以用數字化的形式由焊機提供。可以在體積和重量方面比目前仍有少量使用的模擬控制設備進一步縮小，因為其功能可以用數字信號處理得到。
軟件化的特點其優點之一就是任何程序的執行或修改可以立即實現，例如可以實現機動性很高的焊機軟件升級。
    所有這些情況得到的很多益處就是下面將要敘述的。這個進步是實現MAG焊替代TIG焊工藝的催化劑。

4. 過程準則

    如同已經提過的那樣，在認真考慮如何用MAG焊代替TIG焊時，必須要應用上那些新發展的技術。這其中最重要是如下幾個：
    4.1低電流波動并且改進脈沖特性
    這樣，才能實現在MAG直流焊接過程中焊機能提供最為平順的電弧特性。這種技術（低的電流波動和改進的脈沖特性）對于極小電流焊接或是脈沖弧焊極其重要。可以說，在基值電流僅有幾安培時，具有干凈持續的直流電流比具有高的電弧能量更重要。任何一點減弱都會使電弧不穩定及失去重引弧性。MOS管（金屬氧化物半導體場效應晶體管）被用來產生逆變頻率直接關系到極小電流焊接時的基值波紋。同時，由些產生的另一個好處是可以實現前面曾經提起的－即擴大了焊機的可用范圍以致可以焊接更小的壁厚。同樣采用脈沖弧焊也可做到這點－盡管這是焊機的另一附加功能。就象前面已經提過的，在不同的保護氣氛下，不同成分的熔滴表現的特性會不同。因此在理論上，使用者必須根據每一種不同的焊接材料來設定不同的脈沖電流和基值電流等參數。不過，現在工業上應用的材料如此之多－譬如高合金鋼又或是有色金屬－這使得焊機的調節非常麻煩以致于幾乎只能作為單一材料焊接的專機了！而同時，焊機作為一種通用設備又要能適應各種不同的焊接作業要求。因此，不怕經常焊接各種不同焊接材料也是很重要的。由于它們的成分如此復雜（象鎳基合金和特殊不銹鋼等），在這種時候－如果不預先準備---工房內的操作者將會絕望透頂，就因為調節是如此的勞神費時，還別提需要掌握多少有關電弧的基礎知識。除了少數專家幾乎沒人能用這焊機了。為防出現這種情況，產生了預置參數的焊機，針對常用的材料，包括保護氣體，相應焊接參數儲存在焊機的程序里，使用者只須調出使用即可。針對大量不同焊材的背景參數，歸納出68個對電弧穩定性和熔滴過渡性能有影響的參數，令使用者可以選出一個合適的參數，在焊機的焊接范圍內不論何時何地均可再次得到理想的焊接特性，并且可以實現一元化調節，譬如只須使用單一控制（單鍵操作）。如此一來，就有了一套對脈沖電弧和熔滴過渡參數進行優化設置的專家系統，對用戶來說就非常簡明快捷。而且，為使用戶能根據填充材料和或保護氣的不同調節出正確的焊接規范，該型焊機還可以進行重要規范的調整（象弧長和脈沖寬等參數）。通過這些方面的發展，焊機的性能大為提高，可以從根本上解決多數常見焊接作業中遇到的問題。
    4.2 焊縫的開始和結束
    從表1可見，MAG焊接的明顯缺點體現在焊縫的某些關鍵點上

尤其是焊縫的開始和結束部位。因為MAG焊中焊絲兼作電弧電極，除非電弧可以自己引燃，否則無法實現滯后送絲。而對于導熱率高的金屬（譬如鋁和鋁合金），正是這個缺點使MAG焊不如TIG焊應用廣泛。母材相對冷的時候，起弧時部分電弧能量散失了，會出現不規則的未熔合現象。作為對策，用戶只能進行預熱或選擇氦保護氣。而焊到焊縫的末端時，經常會出現熱量過剩，通常是因為焊縫軸向受限制－即電弧移動到了工件的末端。熱量過剩常會導致焊縫凹陷甚至“燒穿”。不過，焊機可以采用圖8所示方法來排除這些缺陷，使MAG焊依然可行。
    這種方式的目的是使焊接的開始與結束都能滿足工件的需要。這種特殊四步方式可以按照預先設定的焊接參數來焊接。操作者通過按住焊槍開關來調出起弧電流焊接，即直到焊縫起始處的熱輸入量足夠熔透母材（第一步）。當操作者松開焊槍開關（第二步），焊接電流在預設的時間內降到（“slope衰減”）到設定的焊接電流。到焊縫未端時，操作者再次按住焊槍開關（第三步）在預設的衰減時間內將電流降低到收弧電流大小。該電流將按操作者的意愿保持到完成填充弧坑收弧結束為止，不會產生缺陷（諸如收弧氣孔等）。當操作者松開焊槍開關（第四步），電弧熄滅，開始滯后送氣。因為焊機本身就內置了這種特殊四步的操作程序，可使操作者不必分三次調節焊接電流并分別完成。不過，市場上仍然有些焊機是需要操作者艱難地進行這些步驟的。當操作者設定特殊四步的操作方式后進行一元化調節時，起弧電流和收弧電流是會根據所設焊接電流自動調到合適大小的。研究實例清楚地表明這對于輕合金的短焊縫是一個顯著的優點。當要以MAG焊代替TIG焊時這是一個不可或缺的進步。