随着超声技术和设备的发展，功率超声越来越多地应用于焊接领域。电弧焊中，超声波的引入能改善母材熔化和熔池金属凝固结晶行为，进而使焊缝组织得到细化，接头性能得到提高[4]。清华大学吴敏生等[5]提出了电弧超声方法，通过隔离、耦合方式由超声激励源在焊接过程中激发出超声振动，通过电弧超声作用使焊缝晶粒细化，改善焊缝应力分布，提高焊缝接头冲击韧度和疲劳寿命。哈尔滨工业大学孙清洁等[6]通过超声振动装置与焊枪机械耦合的方式，实现了超声振动与焊接电弧的复合，并成功应用于非熔化极和熔化极气体保护焊[7]，研究表明，超声电弧复合焊接方法在提高焊接效率、改善熔滴过渡过程、增强焊接稳定性、细化接头组织、减少气孔等方面存在一定优势[8-9]。但是，外部激励源耦合超音频脉冲的方式所激发的超音频脉冲电流上升沿、下降沿变化率低，致使脉冲电流幅值较低，作用效果较弱。采用超声振动装置与焊枪机械耦合时，需要设计特殊结构的专用焊枪，其结构复杂，应用场合受到限制，笔者团队[10-11]发明了脉冲快速切换电路，并研制出复合超音频脉冲TIG焊接电源，在此基础上对超音频脉冲电弧及熔池流动行为开展了大量研究工作。
本文提出了一种全新的GMAW方法，并开发了一套超音频复合脉冲GMAW电源[12]，即在传统脉冲GMAW电流基础上复合叠加频率为20~80 kHz、电流幅值为0~100 A、占空比为0%~100%的连续可调的超音频脉冲电流，利用大功率超音频脉冲电流产生的高频效应[13]，以期改善脉冲GMAW电弧及熔滴过渡行为，提高焊接过程的稳定性。这种超音频复合脉冲GMAW焊接方法为脉冲GMAW新工艺探索提供了一种有效途径，对该技术的推广应用及深入研究具有重要的指导意义。
1 电源主电路拓扑 传统脉冲GMAW电流波形的主要参数有基值电流Ib、峰值电流Ip、基值时间Tb、峰值时间Tp，其脉冲频率一般为几十至几百赫兹[14]。超音频复合脉冲GMAW在此基础上叠加频率20 kHz以上的超音频脉冲电流，波形示意图如图 1所示。与传统脉冲GMAW波形相比，其增加的电流波形参数有超音频脉冲电流幅值Ipp、频率f(1/t)、占空比D(tpp/t)。
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| 图 1 超音频复合脉冲GMAW波形示意图 Fig. 1 Schematic of waveform ofhybrid ultrasonic frequency pulsed GMAW |
| 图选项 |
为实现图 1所示的焊接电流波形，设计了图 2所示并联结构的超音频复合脉冲GMAW电源主电路拓扑[12]。三相AC 380V工业电经整流滤波电路输出约540 V直流电压，分别为2套相对独立的恒压源及恒流源供电。恒压源输出电压约为80 V；开关管VT1、电感Lb、续流二极管D1共同构成BUCK变换器，控制电源输出外特性，输出基础电流IA可为直流或脉冲形式，最大值为500 A；恒流源输出0~100 A直流电流IB，为超音频脉冲电流切换电路提供能量输入；开关管VT2、VT3及快恢复二极管D2共同构成超音频脉冲电流切换电路，VT2、VT3以20~80 kHz的频率交替开通或关断，形成超音频脉冲电流序列IC。具体工作原理为：当VT2开通，VT3关断时，IC为0；当VT2关断，VT3开通时，IC=IB，由于恒流源输出端串联较大滤波电感Lp，使得当VT2、VT3快速开通及关断时，IB值波动较小。尖峰电压吸收电路用于吸收VT2、VT3快速开通关断时产生的电压尖峰，起到对主电路的保护作用。根据电流叠加原理，电源总输出电流ID等于IA与IC之和。
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| 图 2 电源主电路拓扑[12] Fig. 2 Main circuit topology of power source[12] |
| 图选项 |
2 MCU+DSP数字化控制 随着信号处理技术及计算机控制技术的发展，高性能的微机控制单元(MCU)、数字信号处理器(DSP)为焊接电源数字化控制提供了技术保障[15]。本文设计了MCU+DSP双处理器的控制系统，如图 3所示。MCU选用16位Freescale MC9S12XEP100MAL，片上接口丰富[16]，DSP选用32位处理器MC56F84789，具有较高的运算及数据处理能力。
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| 图 3 MCU+DSP双处理器控制系统框图 Fig. 3 Block diagram of MCU+DSP dual-processor control system |
| 图选项 |
系统采用触摸屏作为人机交互界面，代替传统的旋钮及按键式的操作面板，不但可以实时显示焊接电流、电压、送丝速度、脉冲频率、占空比等焊接参数，而且可对各焊接工艺参数进行实时在线调整，同时，触摸屏人机界面的开发较为简单，后续产品更新时无需更换系统硬件，改变触摸屏界面及通信程序即可。触摸屏与MCU通过RS485方式进行通信，触摸屏为上位机，MCU为下位机。MCU主要实现对电源主回路中前级恒压源、恒流源的控制，送丝速度设定及焊接工艺时序管理等功能。DSP主要实现对电源主回路后级BUCK变换器及超音频脉冲电流切换电路的控制，根据电流给定波形的不同，BUCK变换器输出电流可为直流或脉冲形式。DSP与MCU之间通过CAN总线进行数据及命令的传输，根据所设定的超音频脉冲频率及占空比，由DSP输出1路PWM信号，经驱动电路后输出2路互补的驱动信号PWM1与PWM2，分别控制VT2、VT3的开通或关断，从而将恒流源输出电流IB切换成超音频脉冲电流序列IC。DSP采集电弧电压信号，并对该信号进行处理，以此作为弧长闭环控制的信号。
DSP输出PWM信号与电流IA给定信号严格同步控制，可得到不同形式的焊接电流波形。各工作模式及信号输出逻辑由软件编程实现，采用C语言编写，控制流程如图 4所示，具体工作模式如下。
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| 图 4 控制软件流程图 Fig. 4 Flowchart of control software |
| 图选项 |
1) 工作模式1：超音频直流脉冲GMAW。
IA输出直流，IB输出直流，按照设定的频率及占空比输出PWM信号，实现在传统直流GMAW基础上复合叠加超音频脉冲电流，输出电流如图 5(a)所示。
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| 图 5 不同工作模式下的焊接电流波形示意图 Fig. 5 Schematic of welding current waveforms under different work modes |
| 图选项 |
2) 工作模式2：传统脉冲GMAW。
关闭恒流源或禁止PWM信号输出，则电源输出电流ID仅为BUCK变换器输出电流IA，当电流IA给定信号为脉冲时，可实现传统脉冲GMAW波形输出，如图 5(b)所示。
3) 工作模式3：脉冲GMAW基值复合超音频脉冲电流。
IA输出为脉冲电流，恒流源输出直流IB，IA脉冲基值期间，DSP输出PWM信号，VT2、VT3按照设定的频率和占空比交替开通或关断，IC输出超音频脉冲电流，幅值等于IB；脉冲峰值期间，DSP禁止PWM信号输出，PWM1为高电平，PWM2为低电平，VT2开通，VT3关断，IC输出电流为0。特别说明：IA脉冲峰值期间恒流源并未关闭，IB值保持不变，因此当下一个超音频脉冲电流序列到来时，IC电流幅值能快速达到设定值。电源输出电流ID如图 5(c)所示。
4) 工作模式4：脉冲GMAW峰值复合超音频脉冲电流。
IA输出为脉冲电流，恒流源输出直流IB，IA脉冲峰值期间，DSP输出PWM信号，VT2、VT3按照设定的频率和占空比交替开通或关断，IC输出超音频脉冲电流，幅值等于IB；IA脉冲基值期间，DSP禁止PWM信号输出，PWM1为高电平，PWM2为低电平，VT2开通，VT3关断，IC输出电流为0。电源输出电流ID如图 5(d)所示。
5) 工作模式5：脉冲GMAW基值和峰值复合超音频脉冲电流。
IA输出为脉冲电流，恒流源输出直流IB，整个脉冲周期内，DSP始终输出PWM信号，VT2、VT3按照设定的频率和占空比交替开通或关断，IC输出连续的超音频脉冲电流，其幅值等于IB。电源输出电流ID如图 5(e)所示。
3 电源输出电流波形测试 3.1 电阻负载测试 电源输出端接电阻箱，用TPS2014示波器及霍尔电流传感器LT508测量电源输出电流，测试结果如图 6所示，分别对应第2节中5种不同工作模式下的输出电流波形。
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| 图 6 电阻负载下的输出电流波形 Fig. 6 Output current waveform with resistive load |
| 图选项 |
3.2 电弧负载测试 为避免熔滴过渡对焊接电流波形的影响，测试了TIG电弧负载下的超音频脉冲电流波形，设置超音频脉冲电流幅值为100 A，频率分别为20、40、60、80 kHz，占空比为50%，测得实际焊接过程中的超音频脉冲电流IC波形如图 7所示。可以看出，频率变化时，脉冲电流幅值维持100 A左右，电流上升沿及下降沿仍保持较高的变化速率(≥50 A/μs)。
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| 图 7 不同频率下的超音频脉冲电流波形 Fig. 7 Ultrasonic frequency pulsed current waveform with different frequencies |
| 图选项 |
以6 mm厚2A14高强铝合金为母材，采用1.2 mm ER2319铝合金焊丝，初步进行了平板堆焊试验，保护气为纯度99.99%的氩气，气流量为15 L/min，焊接速度为400 mm/min，送丝速度为8 m/min，喷嘴到工件距离为15 mm。焊接电流参数如表 1所示，焊接电流波形及焊后焊缝外观如图 8所示。
表 1 焊接电流参数 Table 1 Welding current parameters
| 参数 | Ip/A | Ib/A | Tp/ms | Tb/ms | Ipp/A | f/kHz | D/% |
| 数值 | 325 | 60 | 1.5 | 5.8 | 50 | 20 | 50 |
表选项
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| 图 8 铝合金超音频复合脉冲GMAW电流波形及焊缝外观 Fig. 8 Current waveform and weld bead appearance of aluminium alloy hybrid ultrasonic frequency pulsed GMAW |
| 图选项 |
4 结论 1) 本文提出一种全新脉冲GMAW焊接方法，研制开发出新型并联结构超音频复合脉冲GMAW焊接电源，设计了MCU+DSP双处理器控制系统，可输出不同工作模式的焊接电流波形。
2) 超音频脉冲电流幅值高达100 A，脉冲频率为20~80 kHz，电流上升沿(下降沿)变化率大于等于50 A/μs。
3) 利用该电源进行了初步焊接试验，焊缝外观良好。
后续将进一步针对超音频脉冲电流参数、叠加方式展开试验研究，探究超音频脉冲电流的加入对脉冲GMAW电弧行为、熔滴过渡状态及焊接接头性能的影响。
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