基于高频脉冲电流的低飞溅短路过渡波形及建模方法研究

《Journal of Manufacturing Processes》：Research on low-spatter short-circuit transfer waveform and modeling method based on fast-frequency pulse current

　　

摘要

针对短路过渡过程中电弧阶段难以兼顾低飞溅控制与电弧调制的问题，本文提出了一种快速频率脉冲（Fast-Frequency Pulsed，FFP）电流辅助的低飞溅短路过渡波形。该波形在短路阶段采用分段电流控制，仅在高速电弧阶段叠加5–40 kHz的脉冲电流。建立了一个耦合的集成Simulink模型，集成了FFP焊接电源和短路过渡的动态过程。构建了基于电流、电压和过渡周期误差的目标函数来校准模型参数，确定了实验矩阵。最终开发了一个实验样机。在独立工作条件下的仿真和实验结果表明，使用1.2 mm ER50–6焊丝和Q235B堆焊工艺，所提出的模型能够准确预测所提波形的特征，平均电流和平均电压的误差不超过1%和5.8%。与传统的恒压（CV）短路过渡模式相比，在相同平均电流下，FFP模式将过渡频率从54 Hz提高到105 Hz，飞溅率从4.9%降低到0.8%，焊缝熔深增加了7.8%。研究结论仅限于所采用的FFP焊接电源架构和5–40 kHz的FFP参数范围。

引言

气体金属弧焊（GMAW）中的短路过渡具有低热输入和全位置焊接能力，但在传统恒压（CV）操作下，常出现飞溅大、熔滴过渡不稳定和焊缝成形不一致等问题[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。表面张力过渡（STT）、coldArc和冷金属过渡（CMT）等工艺通过数字化控制的分段电流调节来缓解这些问题，实现了更低电流和更低能量下的熔滴过渡[1]、[2]、[3]、[4]。

STT主要通过短路阶段和电弧再引燃阶段的电流控制来抑制飞溅，但通常不会在电弧阶段引入额外的电流调制。CMT可以实现低热输入和低飞溅，但需要高动态送丝机构和复杂的机电协调；其低热输入在某些应用中也可能限制熔深。传统脉冲GMAW主要设计用于自由飞行熔滴过渡，而非短路过渡。因此，一个重要的挑战仍然存在：如何在保持短路过渡低热输入和低飞溅特性的同时，改善电弧阶段的气弧行为与焊缝成形。代表性受控短路过渡工艺的优点与局限性在表1中进行了总结与对比。

近期的低飞溅策略日益强调电流波形控制、丝材运动和过程监测的协调。波形优化可以降低熔滴脱离功率[5]，MAG稳定性已通过脉动能量、电流和高速成像进行评估[22]，SPH（光滑粒子流体动力学）仿真阐明了CMT丝材回缩对热输入和飞溅的影响[23]。然而，现有研究主要集中于控制短路液态桥，而对电弧阶段电弧形态和瞬时电磁作用的主动调制仍缺乏充分的研究。

大量研究表明，快速频率脉冲电流可以促进电弧收缩，增加电弧压力和瞬时能量密度，增强熔池搅拌，从而影响焊缝成形和凝固微观组织[15]、[16]、[17]、[18]、[21]。然而，现有研究主要集中于连续电弧、TIG或传统脉冲GMAW。在短路过渡的高速电弧阶段选择性施加快速频率脉冲电流的研究仍较为有限。在整个短路过渡循环中施加快速频率脉冲可能会干扰短路检测和低能量电弧维持。因此，本研究的关键问题是：如何定义快速频率脉冲的合适操作窗口，并与其与低飞溅短路过渡波形进行协调控制。

GMAW是非线性、强耦合和事件驱动的。现有模型将电气和几何变量纳入过程控制[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，或描述液态桥演化和弧-池相互作用[9]、[20]，但通常对电源进行理想化处理。MATLAB/Simulink研究仅考虑了相关电气和过程组件的子集[6]、[7]、[8]、[24]，很少将逆变器、FFP支路、丝材熔化、电弧长度演化、非线性弧负载和状态切换进行集成。因此，这些研究无法完全捕捉FFP辅助短路过渡过程中电源与非线性弧负载之间的耦合效应。

基于上述考虑，本研究提出了一种快速频率脉冲（FFP）电流辅助的低飞溅短路过渡波形。其中，FFP指5–40 kHz范围内的快速频率电流调制。在短路阶段，FFP支路被禁用。低飞溅通过液态桥电流控制来实现。电弧再引燃后，5–40 kHz的快速频率脉冲仅在高速电弧阶段叠加，在低电流电弧维持阶段则被禁用。这样，短路阶段主要提供低飞溅的液态桥过渡，而高速电弧阶段实现对瞬时电流、电弧形态和电磁作用的周期性调制。

为分析所提波形的形成机制及其电源-电弧耦合特性，在MATLAB/Simulink中使用S函数建立了一个集成模型。该模型包括移相全桥变换器和整流输出、快速频率脉冲支路及其滤波电路、数字电流控制、送丝系统、丝材熔化率模型、电弧长度演化、非线性弧负载模型以及短路与电弧之间的状态切换逻辑。最终，在本研究中所考察的特定范围——填充焊丝、低碳钢基材、电源架构和焊接参数范围内，对提出的波形和集成模型使用仿真和实验电流电压波形、高速成像、过渡频率、飞溅率、焊缝成形、金属学特征和拉伸断裂位置进行了全面评估。

章节摘要

波形控制策略

所提出的波形如图1所示。在电弧阶段末端（0–t?），熔滴持续长大，接触熔池后过程进入初始短路阶段（t?–t?），电流被拉低至I???。随后，采用双斜率控制策略增加短路电流(t?–t?)，促进熔滴颈缩。在检测到液态桥颈缩后，电流迅速下降至I???以抑制

FFP焊接电源-电弧系统建模

• (1)
  轴对称熔滴假设。假设熔滴始终保持轴对称，其几何形状由式(3)中的单个直径和体积表示。未考虑非对称变形，这可能影响预测的过渡时间。
• (2)
  简化液态桥几何。液态桥近似为两个相同的截锥体，使得式(3)中的桥接电阻和式(2)中的短路电压可以通过代数方法计算。不均匀的颈缩可能导致局部

待识别参数

模型参数及识别方法汇总于表3。参数L₁、L₂、F_q、F_k、L_w和R_w通过LCR电桥实验测量获得。参数I_a、I_min、I_peak–I_base、α、K_p和K_i从实际焊接电源的数字控制器中获得。di/dt₁和di/dt₂在第3.5.1节中识别，U_short、U_th和dU_f/dt在第3.5.3节和第3.5.4节中通过焊接电压信号识别。参数l₀、l_k、l_d、l_s、l_c和r_min为

实验设置与参数

建立了一个原型数字FFP焊接电源及相应的实验平台，如图8所示。

本研究采用的电流传感器型号为ICP9500A，带宽为20 MHz，精度为1%，安装在输出电缆上。电压探头型号为DP6150B，带宽为300 MHz，精度为2%，安装在电压采样电路的输出端。实验中使用的示波器为LeCroy 8054，具有

讨论

从作用机制来看，本文提出的焊接波形通过两条顺序分离的路径发挥作用：在短路阶段，分段电流在短路时刻和液态桥颈缩时降低电流，从而抑制飞溅的产生；在电弧阶段，FFP支路周期性地调制焊接电流。在本文提出的模型中，该效应直接通过时变的

结论

• (1)
  提出了一种快速频率脉冲（FFP）电流辅助的低飞溅短路过渡波形，并建立了一个集成模型，涵盖快速频率脉冲电源、送丝与熔化、电弧长度演化、非线性弧负载和状态切换。通过参数校准获得的目标函数最小值为0.0442；在独立验证工作条件下，平均电流的相对误差不超过1%，

CRediT作者贡献声明

何志宇：软件、方法论、调查、初稿撰写。王静：调查。张亮：资源。张琴：软件、审稿与编辑。王振民：项目管理、审稿与编辑。廖海鹏：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

何志宇|王静|张亮|廖海鹏|张琴|王振民