随着西气东输工程的启动和中俄、中哈等大口径、长距离过境管道的规划和建设，传统的管道施工技术与方法将难以适应现代管道施工要求。而管道全位置自动焊接技术是改变这一现状的有效手段。国外许多公司从20世纪70年代开始使用管道自动焊接工艺，其技术日趋成熟，焊接一次合格率已达到97％～98％，而我国目前还处于起步阶段。

1 管道全位置自动焊工艺特点
　　
管道全位置自动焊接工艺采用手工下向焊和半自动焊打底，再采用自动焊施焊。

1.1 STT半自动焊接工艺特点

（1）电弧燃烧稳定，飞溅极少。

（2）根焊焊道成型好，基本不需打磨。

（3）焊缝接头少，焊丝熔敷率高（可达95％）。

（4）焊缝含氢量低，低温冲击韧性好。

1.2 自动焊接（NOREAST）工艺特点

（1）利用“储存器”可输入和存储多组焊接参数，适应多台焊机施焊的要求。

（2）焊接工艺参数由储存器输入，可以保证工艺参数的准确性。

（3）电弧燃烧稳定，焊道成型好，不需要打磨，焊接缺陷少，焊丝熔敷率高。

（4）焊接质量稳定，焊工劳动强度低。

自动焊接工艺配备有自动控制系统，工艺性能稳定，受外界影响小。因为焊接作业由机械自动完成，所以焊工的培训成本大大减少。在大口径、厚壁管道焊接中，其速度、质量和工效都是其它方法所不能相比的。

2 X70试验段管道全位置自动焊接施工

为了适应长距离、大口径、高压力、大壁厚、高强度钢输油气管道的建设速度和质量要求，参与国内外竞争，尽快推广应用管道全位置自动焊接技术，提高我国管道自动焊接技术水平十分必要。按照这一目标，中国石油天然气管道局第二工程公司成立了管道自动焊研究试验小组，采用引进的管道自动焊机进行大量的试验和研究，并于2000年11月将管道全位置自动焊接工艺成功地应用于涩宁兰输气管道的施工，实现了国内长输管道焊接技术水平的飞跃。

2.1 主要焊接工程量

试验段管道全长4．118 千米。采用的管材为API5L、X70，管径为660毫米，壁厚
10．3毫米，设计工作压力为10兆帕。

2.2 焊前准备

（1）加强焊工练兵，做好焊接设备的维修保养等前期准备工作。

（2）制定《管道全位置自动焊接工艺规程》。

（3）配合中国石油天然气管道局焊接培训中心，分别对7种国内外实芯焊丝和两种螺纹X70钢管进行工艺试验。

（4）针对试验段地处高原，海拔近3200米，气候寒冷、风速较大的特点，搭建防风棚，以保证在焊后缓冷过程中保温时间不少于1．5h。

2.3 焊接结果

（1）焊缝表面成型规则、饱满，且与母材过渡圆滑。

（2）在试验段4．118千米范围内X射线拍片353道焊口，一次合格率达到96．9％。

（3）每道焊口的电弧燃烧时间为35 min，管道全位置自动焊比手工焊效率提高30～40％。

（4）焊缝内在晶体组织较好。

3 管道全位置自动焊存在的问题及有关建议

通过全位置自动焊工艺在涩宁兰试验段上的使用，发现了下列问题，应在以后实践中改进。

3.1 目前国内还缺乏相应的自动焊焊接施工标准与规范，没有相应的标准和规范，自动焊工艺将很难推广 使用。

3.2 坡口是焊接的一项主要技术参数，采用自动焊接工艺时，应采用坡口机现场加工坡口。

3.3 X70钢为高强度钢，焊后缓冷非常重要。机械性能试验表明，如果焊后保温不好，就会使焊缝组织晶粒 粗大，耐冲击性能降低。

3.4 根据国外管道自动焊接的经验，建议在大口径、大壁厚管道施工时采用复合型坡口。

3.5 多次焊接机械性能试验证实，自动焊焊接的内在晶体组织比其它焊接工艺好。对于长距离、大口径、 大壁厚管道，建议采用全自动焊接工艺。

3.6 对自动焊接设备进行配套时，应同时配备自动无损检测设备，如管道全自动超声波检测仪等，使管道无损检测与焊接同步，确保自动焊机的工效。

3.7 人员培训问题。为了提高一次焊接合格率，保证操作人员熟练掌握焊接技艺，必须加强人员的培训。

管道全位置自动焊接工艺试验和实际应用表明，目前的技术水平已达到施工要求，国内施工单位现已基本完成了西气东输管道工程自动焊接的各项准备工作。对于存在的问题进行了整改，并不断完善各种配套装备、机具，管道全位置自动焊技术将逐步成为管道施工的主要工艺，必将加快我国管道事业的发展。

利用超音波机械振動，接觸加工产品摩擦產生熱能使塑膠达到本身溶点且成熔融状态后施加一定压力而結合，依目前較普遍的，即為每秒振動二萬次﹙２０ＫＨＺ﹚與每秒振動１．５萬次﹙１５ＫＨＺ﹚二種，另外尚有數種特殊振動頻率， 因受限於篇幅，僅介紹１５ＫＨＺ和２０ＫＨＺ二種較為普遍性 之熔接。而依其方式又可分為直接與傳導二種熔接法。 直接熔接：即先使材質如線或帶相互重疊﹙例：鉚合、埋植等﹚，固定於塑膠熔接機上之治具，讓其能量轉換器﹙ＨＯＲＮ﹚直 接在上面產生音波振動效能而熔接。 傳導熔接：即熔接時，離超音波振動，隔一段距離，藉其音波振動傳導熔接﹙例：塑膠殼熔接等﹚。

特點：

Ａ、可熔接除鐵氟龍以外的熱可塑性塑膠。

Ｂ、熔接時間極為短暫，通常範圍０．０５秒～１秒。

Ｃ、可經由介質如水、油等熔接於接合面。

Ｄ、熔接效果，可達實用程度。

Ｅ、可做直接與傳導熔接。

Ｆ、材質熔接能量面生因塑膠材質而異，而且並非超音波振動全部材質， 只選發生擇適合的 振動熱所，以產品表面無傷痕之顧慮 ，此為傳導熔接之特色。在較硬的塑膠熔接時，更能發揮其熔接效果。

Ｇ、超音波熔接不會產生如化學藥劑之毒性，為一安全性的熔接加工。

應用：

　　超音波應用範圍極廣，一般我們均熟悉被應用於醫學上，而於工業領域中，大家對本身之產品， 或可發現超音波也是本身所屬產品的應用範圍內，能讓超音波提高您的效率與品質，其應用範圍有１、熔接；２、埋植；３、成型；４、鉚合；５、點焊；６、振落﹙切除﹚； ７、熱熔。除第七項熱 熔為超音波熔接變化外，其餘均屬超音波主要功能。

皮佑国　梁广洋　黄石生

摘　要　弧焊逆变电源是一个非线性、离散的病态系统，理论上很难得到精确的解析解。本文利用状态空间分析法建立系统的平均状态方程，经线性化后得出逆变器的数学模型，该模型为一二阶振荡环节。根据弧焊逆变器中参数配置满足的情况，对该数学模型进行简化，将该数学模型简化成一个积分环节和一个一阶惯性环节相串联的结构。在此基础上用频域法进行分析和校正，在理论校正参数附近取多组实际校正参数，分别进行电阻负载实验和焊接工艺实验。实验结果与理论分析结果相符。本文还对负载突然开路、短路以及开机、停机等大信号过程进行了模型的实用性分析。研究表明，弧焊逆变电源系统在工程中可用频域分析法进行分析和校正。推导的小信号平均频域数学模型反应了系统的基本特性，模型由系统的结构参数R、L、C及静态导通比D决定。推导的小信号频率数学模型简单明了，关系清楚，可以用来对弧焊逆变电源系统进行分析和设计以及指导动特性调试。
关键词：　频域　非线性　线性化　分析　IGBT弧焊逆变器

Frequency Domain Mathematical Model of Arc Welding Converter

Pi Youguo，Liang Guangyang
(Automation Engineering R&M Center of Guangdong Academy of Science，Guangzhou)
Huang Shisheng
(South China University of Technology)

Abstract　Because arc welding converter is nonlinear, discrete system, the exactitude analytic resolution is difficult to obtain, a average state equation is built in this paper by using state space analysis method.The mathematics model of converter is obtained after linearization.The model is a two-order oscillate element. According to the parameters in arc welding converter that are satisfied the relation ,so the model can be simplified as a integer series with a one-order inertia element.Based on the model, analysis and revising in frequency domain,several parameters are taken around the theoretical revising parameter ,both resistance load and welding experiments are carried out. The results of experiments are matched with theoretical analysis. Practicality analysis have been done in the load which is sudden open circuits or short circuits, start and stop the converter. The results shows that frequency method can be used in arc welding converter. The model deputizes for the basic characteristic of the system,it is determined by the structure,parameters and the static conduct ratio of the system.It can be used in design and analysis of the arc welding converter.
Key words　frequency domain,nonlinear,linearization,analysis,IGBT arc welding converter

0　序　　言

　　频域分析法是经典控制理论中分析和设计自动控制系统的一种方法，也是实际中广泛应用的一种工程方法。它是以正弦信号为激励信号，当其频率ω从O到∞变化时，系统输出和输入幅值和相位的变化规律，从而研究系统的性能与系统结构和系统参数之间的关系。由于它不需求解系统的微分方程，参数可以用图形求解，方法简明规范等优点，因而深受广大工程技术人员喜爱。然而，它只是线性微分方程的付里叶变换解法，所以只实用于线性系统。
　　弧焊逆变电源实际是一个DC-DC变换器，其中主电路起能量传递、控制和直流电压变换作用。开关电路中有较大惯性的储能元件如滤波电容和电感等，而控制电路主要由IC组成，控制电路中的电容一般都较小，因此主电路的惯性时间比控制开关管的脉冲间隔时间要大得多。从数学上分析，系统是病态的，即描述系统的微分方程的各特征根的实部相差很大。弧焊电源中开关管工作在导通或截止状态，主电路在时间上是分段线性的。此外，系统在工作时导通比（占空比）规定有上、下限，所以该系统是一个病态非线性系统。目前的弧焊电源大都采用PWM调制方式，即将控制信号uk调制为脉冲信号通过驱动电路控制开关管的通断，因此弧焊逆变电源系统是一个离散系统。
　　要建立弧焊电源这样一个病态非线性、离散系统的数学模型，从理论上得到瞬态响应的精确解析解是很困难的，而状态空间法是适用非线性离散系统的一种较好的理论分析方法，因此分析开关电源系统的基本出发点是根据系统在一个周期内分成几个线性拓扑结构的特点，首先建立分段线性状态方程，施加扰动并在工作点附近线性化，将非线性方程近似为线性方程，于是便可以用经典控制理论中的频域分析法来分析系统在小信号扰动下的动态性能和按要求的性能指标设计系统。

1　弧焊逆变器变换器的数学模型

　　弧焊逆变器有单端正激、半桥、推挽及全桥电路［1］，分别为带单端正激、半桥、推挽及全桥隔离的BUK变换器，只是其电压和电流的变比不同，详见表1。下面用状态空间平均法［2］推导弧焊逆变电源中变换器的数学模型。弧焊逆变器变换器的等效电路图［1］如图1所示，在0tdTs期间，V导通，VD截止，其拓扑结构如图2所示。

　　　　　　　　　

式中

在期间，V截止，VD导通，其拓扑结构如图3所示。

表1　各种电路结构的电压变比k
Table 1　Ratio of voltage in various forms of circuit

Forms of circuitsingle endDouble single end Half bridgeFull bridgePush-PullRatio of voltageD2DD2DD

图1　弧焊逆变器等效电路图
Fig1　Equivalent circuits of arc welder

图2　V导通期间的拓扑结构
Fig2　Topology when V is on

图3　V截止期间的拓扑结构
Fig3　Topology when V is off

　　　　　　　　　　

式中

用一个平均状态方程来代替式(1)、(2)两个分段线性的状态方程

　　　　　　　　　

式中

X、Y的稳态值为

　　　

现对上式进行扰动：令

　　　　　

式中为相应的扰动量，将式(6)代入式(3)可得:

　　　　　

将式(7)、（8）与式(4)、（5）相减，即将稳态与动态分离，可得

　　　　　

式(9)是有扰动的状态方程，显然这是一个非线性方程，因为方程中存在和项。为了获得变换器行为的线性方程，假定扰动信号比其稳态值小得多，即

略去式(9)、（10）中的和项，则得

　　　　　

式(11)、（12）为描述变换器低频小信号的状态空间平均方程，是一个线性时变方程，其复域形式为：

　　　　　

整理后得：

　　　　　

式中I为单位矩阵

　　　　　

式(17)、（18）为x(s)和y(s)对d(s)的频域数学模型——传递函数。代入系数矩阵A、B、C得：

以焊接电流为输出，占空比为输入时的传递函数为

　　　　　　　

以焊接电压为输出，占空比为输入时的传递函数为

　　　　　　　

上式为弧焊电源中开关变换器小信号频域传递函数，其中R、L、C分别为折算到变压器副边的电阻、电感和电容。
　　根据上述传递函数，可以画出弧焊电源广义对象的频率特性如图4所示。

图4　弧焊逆变器频率性
Fig4　Erequency curve of arc welding onverrt

　　以上分析表明，弧焊逆变电源广义对象为一比例环节和二阶振荡环节串联构成，比例环节的比例系统为K=k*Us/R，二阶振荡环节的无阻力振荡频率为，阻力系数ξ为，都由系统的固有参数确定［3］。
　　对于弧焊逆变器，输出滤波电感一般在数十至数百微亨(μH)数量级，滤波电容一般在数万皮法(pF)至数微法（μF）范围内［1］，因此，式(20)及式（21)可以分解为两个一阶惯性环节：

　　　　　　　

又由于，上式又可以简化为：

　　　　　　　

式(22)及式（23）为弧焊逆变器传递函数表达式。弧焊逆变器的开环对数频率特性如图4所示。

2　小信号数学模型的适用性

　　小信号数学模型是假设在静态平衡点附近有微小的扰动而忽略系统的非线性，建立近似的等效数学模型。但系统在大信号的扰动下工作时，系统可能不稳定。其主要原因是系统的非线性，包括功率电路的开关非线性和控制电路中脉冲调制器的饱和非线性。下面分析在考虑这些非线性性质时负载开路和短路及起动过程和停机过程。
　　(1) 当负载突然开路时，输出电压上升至空载电压Uyo,由于输出滤波电容电压不能突变及保护电路参数配合，使过电压保护电路不动作而避免了开关非线性；
　　(2) 当输出端突然短路时，电感电流上升，其上升速度受电感、开关频率及输入电压约束，通过闭环调节，使过电流保护电路不动作而避免了开关非线性；
　　(3) 起动过程中，由于有软起动措施，导通比d的增加较慢，Uy逐渐上升，不会引起过电压保护电路动作，输入滤波电容的充电电流为浪涌电流。
　　(4) 在停机过程中，可用电子线路使d和Uy缓慢下降，也可避免开关非线性。
　　所以，逆变弧焊器由于采用BUK变换器这种对输出短路和开路、起动和停机控制能力很强的电路结构，在小信号时能稳定工作的系统，在大信号时也能稳定地工作，这就定性地说明，小信号数学模型可以用来进行弧焊逆变器的动态分析和设计。

3　试验及结果

　　采用250A IGBT逆变手弧焊机，对该装置用上述方法进行分析并建立数学模型，用频域法进行综合校正，然后在理论校正参数附近取多组校正参数进行突加负载的试验。突加给定试验用可编程序控制器控制突加2S的电流给定，负载为0.03Ω电阻，用霍尔电流传感器检测负载电流Iy，用美国Tetronic公司生产的TDS-400数字存储示波器记录电流波形并用该示波器的测试功能测量有关的技术指标如超调量σ和上升时间tr等。电流波形如图(5)。

图5　突加电阻负载时的电流波形
Fig.5　Current waveform of risistance load is on and off

　　再用同样的试验参数用J502碱性焊条进行焊接，观察评价并测量飞溅率。电流波形及相应的技术指标如图6所示。焊接中几乎没有飞贱。

图6　焊接过程短路过渡电流波形图
Fig.6　Current waveform of short circuiting transfer

4　结　　论

　　(1)推导的小信号平均频域数学模型反应了系统的基本特性；模型由系统的结构参数R、L、C及静态导通比D决定。
　　(2) 推导的小信号频率数学模型简单明了，关系清楚，可以用来对弧焊逆变电源系统进行分析和设计以及指导动特性调试。但因该模型为平均模型，故不能用于分析开关元件瞬时电压电流分析。
　　(3) 由试验波形可知，在小电流时，试验结果与理论分析偏离较大，这是因小电流时电流断续，而本模型是在连续导电模式下推导的。

*本研究得到了广东省高教厅资助

作者简介　皮佑国,1953年生，高级工程师。1982年毕业于重庆大学工业自动化专业。1995年在华南理工大学获得博士学位。一直从事工业自动化科研、教学和设计工作，发表论文30余篇。对智能控制和功率电子感兴趣。现为广东省现代控制技术重点实验室主任。

作者单位:(皮佑国　梁广洋)广州　广东省科学院自动化工程研制中心
(黄石生)广州　华南理工大学

参　考　文　献

　1　黄石生．电子控制的弧焊电源 ，北京：机械工业出版社，1995．
　2　蔡宝三等．高频功率电子学，北京：科学出版社，1993．324～333
　3　周其节等．自动控制原理.广州：华南理工大学出版社，1992．155～167

摘 要： 研究了单丝单脉冲、单丝复合脉冲和双丝Tandem MIG焊对高强Al-Cu合金焊缝组织及性能的影响。实验结果表明：单丝复合脉冲焊接时，峰值电流周期性变化引起的熔池液体强烈的搅拌作用，使熔池的温度梯度降低，固液界面前沿成分过冷区中的形核核心增加，促进了焊缝组织的细化，提高了焊缝的强度和塑性。双丝MIG焊高的热输入和快的焊接速度，使焊缝产生了粗大的等轴枝晶组织，并增加了晶界和枝晶间共晶相的数量，使焊缝的强度、硬度和塑性降低。
关键词： 高强Al-Cu合金; 复合脉冲; 双丝MIG; 焊缝组织

0　序　言

　　高强铝铜合金也称硬铝合金，可热处理强化，具有很高的室温强度及良好的高温和超低温性能[1]，广泛应用于航空、航天及其它运载工具的结构材料，如：运载火箭的液体燃料箱[2]、超音速飞机和汽车的结构件[3]以及轻型战车的装甲[4]等。目前常用于铝合金连接的主要焊接方法有：交流钨极氩弧焊（TIG）和直流反极性熔化极气体保护焊（MIG）。TIG焊由于采用交流电，钨极烧损严重，限制了所使用的焊接电流，而且此法熔深能力弱，因此只适用于薄件铝合金的焊接。MIG焊包括连续电流焊接和脉冲电流焊接。MIG焊时，焊丝做为阳极，可采用比TIG焊更大的焊接电流，电弧功率大，焊接效率高，故特别适合于中厚板铝合金的焊接。实验研究发现，在铝合金MIG焊时，脉冲电流焊接优于连续电流焊接，它提高了铝合金焊缝金属的强度、塑性和疲劳寿命[5]。为进一步提高电弧的稳定性、改善焊缝成形和增加熔深以及厚板铝合金的高效焊接，近几年国外发展了单丝复合脉冲MIG焊和双丝Tandem MIG焊方法，但这两种MIG焊方法对高强铝合金焊缝组织和性能的影响如何，特别是对高强铝铜合金而言，至今未见报导。本文针对20mm厚的2219中厚板高强铝铜合金，进行了单丝单脉冲、复合脉冲和双丝Tandem MIG焊工艺的研究，以探讨上述MIG焊方法对高强铝铜合金焊缝组织和性能的影响。

1　Tandem双丝焊和单丝复合脉冲MIG焊原理

　　Tandem双丝焊是将两根焊丝按一定角度放在一个特别设计的焊枪里，两根焊丝分别由各自独立的电源供电。除送丝速度可以不同外，其它参数，如：焊丝的材质、直径、是否加脉冲等都可彼此独立设定，从而保证了电弧工作在最佳状态。与其它双丝焊技术相比，由于两根焊丝的电弧是在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，因此提高了熔敷效率和焊接速度。同时由于两根焊丝交替送进同一熔池，对熔池具有搅拌作用，而降低了气孔敏感性，改善了焊缝质量[6]。图1是Tandem双丝焊的原理图。

图1　Tandem双丝焊原理图
　　单丝复合脉冲焊接工艺是采用一个低频的协调脉冲对另一个高频单位脉冲的峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强、弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群，其电压波形如图2所示。调制后的焊接电流使作用于熔池中的电弧压力发生变化，不仅可以提高焊缝的熔深，获得均匀美观的鱼鳞纹焊缝，而且还可以增强对熔池的冲击振动，减少和消除焊缝气孔[7]。

图2　复合脉冲焊接的电压波形

2　实验材料及实验方法

　　实验采用的母材为2219-T87高强铝铜合金，试板尺寸为300×150×20mm，平板对接，坡口形式为X形，角度为80°。焊接设备采用
德国CLOOS公司生产的Qunito 503单丝和双丝MIG焊机，焊丝为ER2319，直径φ=1.6mm，保护气体为纯度99.99%的氩气。母材和焊丝的化学成分如表1所示。焊接前先用丙酮去除坡口两侧的油污，后用不锈钢钢丝刷清刷坡口。首先采用单丝焊机进行单脉冲和复合脉冲两种工艺的焊接实验，然后采用双丝焊机进行双丝焊的工艺实验，焊接工艺参数如表2所示。单丝焊时正、反面各焊3道，双丝焊时正、反面各焊1道，层间温度≤100℃。焊接后试板两端用机械切割法各去除30mm，然后从试板上截取焊接接头的两个拉伸试样和一个金相试样。拉伸试样加工成光滑的圆棒拉伸试件，拉伸试件的直径10mm，标距长度50mm。拉伸实验在AG-250KNE电子拉伸实验机上进行，拉伸速率1.2mm/min。用MICROMET显微硬度仪测量焊接接头横截面的硬度变化，压头载荷为200g。用 MeF-3型光学显微镜和PHILIPS-XL30扫描电镜观察最后一道焊缝中心的显微组织。

实验材料

Cu

Mn

Ti

Zr

V

Fe

Si

2219 母材

6.28

0.30

0.048

0.12

0.07

0.22

0.08

2319 焊丝

5.96

0.30

0.17

0.12

0.06

0.14

0.04

表1　母材和焊丝的化学成分（质量分数，%）

焊接参数

单丝焊

双丝焊

单脉冲

复合脉冲

主电源

从电源

送丝速度 v/ (m·min-1)

6.0

6.0

8.8

6.0

频率 f/Hz

210

210

230

200

峰值电压 U/V

31

31

27

25.8

脉冲时间 t/ms

2

2

1.9

1.9

基值电流 I/A

85

85

95

95

脉冲波形

3

3

3

3

焊接速度 v/ (cm·min-1)

45

45

56

平均电流 I/A

258

260

268

194

平均电压 U/V

23.7

23.9

22.7

24.5

第二脉冲频率 f/Hz

—

8.0

—

—

第二脉冲电压 U/V

—

26

—

—

第二脉冲时间 t/ms

—

3.2

—

—

第二脉冲占空因数 (%)

—

30

—

—

表2　焊接工艺参数

3　实验结果与讨论

3.1 焊缝金属显微组织
　　图3a,b分别为单丝单脉冲和复合脉冲焊接后焊缝组织的金相照片。可见两种焊缝的显微组织都呈等轴枝晶形态分布，由于焊缝金属中含有大量的晶粒细化元素Ti、Zr、V等，它们在焊缝金属中分别与Al形成TiAl3、ZrAl3和VAl7等相，这些析出相的晶格类型和晶格常数与Al基体非常接近，晶格错配度很小[8~9]。因此，凝固过程中可以很好地成为非均质形核的核心，促进了焊缝晶粒组织的细化，因此两种焊缝组织都很细小。从图4的放大照片上可以看到，焊缝的组织基体是α(Al)固溶体，在α(Al)的晶界和枝晶间分布有α+θ相和α+θ+Τ相的二元和三元共晶组织，晶内有强化相质点析出。

(a) 单脉冲焊的焊缝组织　　　　　　 (b) 复合脉冲脉冲焊的焊缝组织
图3　复合脉冲焊接对焊缝组织的影响

　　对比图3a和b发现，复合脉冲焊接的焊缝组织晶粒相对细小，并且晶界和枝晶间分布的共晶组织呈球状或细小的薄膜状均匀分布。相比之下，单脉冲焊接的焊缝组织晶粒相对较大，沿晶界和枝晶间分布的共晶组织连续性增加，这将影响焊缝金属的强度和塑性。复合脉冲焊接引起焊缝组织进一步细化，是由于峰值电流周期性变化引起电弧压力也发生周期性变化，造成熔池液体的振动，使熔池液体发生搅拌作用的结果。在单脉冲焊接时，由于脉冲的峰值电流不变，且脉冲频率很高，因此电弧压力变化很小，熔池表面液体振动的振幅也很小，熔池的搅拌作用很弱。复合脉冲焊接时，由于叠加了一个低频的协调脉冲，使脉冲的峰值电流按照低频脉冲的频率不断发生变化，相应地电弧压力也随之发生很大的变化。当峰值电流高时，电弧压力大，熔池表面的液体呈凹状；当峰值电流低时，电弧压力小，熔池表面的液体呈凸状，从而导致熔池表面液体的上、下振动，引起熔池液体的搅拌作用[10]。熔池液体的搅拌作用一方面增加了熔池内原有的对流，增大了液体流动，降低了温度梯度，扩大了固液界面前沿的成分过冷区域；另一方面可使部分熔化的晶粒脱离熔池侧壁进入熔池，增加了形核核心[11~12]。此外，由复合脉冲产生的强对流可把从熔池侧壁脱离的晶粒以及熔池中析出的形核质点，如TiAl3、ZrAl3等带到固液界面前沿的成分过冷区中，促进了α(Al)的非均质形核，因此细化了焊缝组织。图5为双丝焊的焊缝组织，与图3相比，晶粒明显粗大，并且沿晶界分布的共晶组织薄膜增厚、变长。上述组织变化是由双丝焊工艺特点决定的。(1) 双丝焊时两根焊丝前后并列排列，使熔池体积增加，高温停留时间变长，冷却速度变慢；（2）双丝焊总的热输入远高于单丝焊（单丝焊和双丝焊的热输入分别为8KJ/cm和12KJ/cm），熔池中的液态金属处于严重的过热状态，合金元素的烧损较为严重，使熔池中非自发晶核的质点大为减少，降低了非均质形核的能力；（3）由于凝固速度变慢，在凝固的最后阶段，沿晶界和枝晶间残留的液相量增多，这些液相通过共晶反应，形成了数量较多的共晶组织。

图4　焊缝金属中共晶组织形貌　　　　　　　 图5　双丝焊的焊缝组织

3.2 显微硬度分布
　　图6为通过焊缝、热影响区和母材的显微硬度横截面变化曲线。可见在这三个区域中，焊缝区的硬度最低，这是由于焊缝金属凝固时，发生了溶质浓度变化的结果。

图6　焊接接头横截面显微硬度的变化

　　当熔池开始凝固时，首先析出溶质含量低的α(Al)固溶体，大部分溶质原子，如：Cu、Mn等被排挤到低熔点的液相中。凝固结束时，富溶质的液相在晶界和枝晶间形成了共晶相，因此贫溶质的α(Al)固溶体具有低的硬度。同时焊缝金属不完全的淬化降低了过饱和度，减少了析出相硬化，故焊缝区的硬度最低。紧靠熔合线的局部熔化区经历了高的峰值温度，使母材中的析出相完全溶解，并导致晶界局部熔化，形成一些共晶液相，一部分溶质原子集中到液化相中，导致基体溶质过饱和度下降，随后冷却过程中析出强化相减少，结果使局部熔化区中的固溶硬化和析出相硬化效果降低，同时该区晶粒粗大，所以局部熔化区的硬度较低。邻近局部熔化区的热影响区硬度与母材相比，也发生了明显的软化。原因是：该区域也经历了充分的加热，发生了平衡相θ的脱溶、析出和聚集长大，即发生了“过时效”，因此HAZ的硬度降低。母材为T87状态，即经过固溶处理，预变形和人工时效，基体中有大量细小、弥散的强化相，如：θ′和T相析出，所以母材的硬度最高。从图6还可以看到，双丝焊比单丝焊的焊缝金属硬度低，这可能是双丝焊焊缝晶粒粗化的结果。
3.3 焊接接头力学性能
　　不同MIG焊方法对高强铝铜合金焊接接头力学性能的影响如表3所示。在焊接接头试样的拉伸实验过程中，发现所有试样都断裂在焊接接头的焊缝区，所以焊缝是整个焊接接头最薄弱部位，表3中所列的拉伸和屈服强度也就代表了焊缝的拉伸和屈服强度。图7为拉伸焊缝断口的截面形貌，可见断裂通道是沿晶界分布的共晶相扩展的。这说明晶界和枝晶间存在的共晶相对焊缝金属的拉伸性能是不利的，因为这些金属间相脆性大，很容易引发开裂。

图7　焊缝拉伸试样的断裂表面

　　从表3可以看到，复合脉冲焊接的焊缝具有最高的强度和塑性，焊缝金属的连接系数接近70%，单脉冲焊接的焊缝次之，而双丝焊的焊缝强度和塑性最低，这与它们对应的焊缝组织形貌是一致的。复合脉冲焊接的焊缝组织最为细小，并且晶界共晶相呈球状和细小的薄膜状均匀分布，因此焊缝的强度最高，塑性最好。而双丝焊由于总的热输入很大，得到了粗大的等轴枝晶组织，并且沿晶界分布的共晶相的数量明显多于单丝焊，因此强度和塑性都最低。单脉冲焊接比复合脉冲焊接的焊缝组织粗大，但明显细于双丝焊，所以强度、塑性明显好于双丝焊，略低于复合脉冲焊接的焊缝。从本研究的实验结果来看，虽然双丝焊的焊缝金属强度和塑性有所降低，但由于双丝焊时两根焊丝在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，使焊接的熔敷效率远高于单丝焊。如本实验中带坡口的20mm厚的铝铜合金，采用单丝焊时，需要焊接6道，而采用双丝焊时，只需焊接2道即可。所以在满足焊接接头性能要求的前提下，特别适用于中厚板铝合金的焊接。

焊接工艺

抗拉强度
σb/ MPa

屈服强度
σ0.2/ MPa

延伸率
δ(%)

断面收缩率
ψ(%)

单丝单脉冲

296.4

191

4.7

19.7

单丝复合脉冲

298.8

193.9

5.0

23.8

双丝 MIG

287.8

179.6

4.5

17.9

2219 母材

429.9

358.5

15.4

26.4

表3　焊接接头和母材金属的拉伸性能

4　结论

　　(1) 单丝复合脉冲焊接时，蜂值电流周期性变化引起的熔池液体强烈的搅拌作用，细化了焊缝组织，提高了焊缝的强度和塑性。
　　(2) 双丝MIG焊高的焊接热输入和快的焊接速度，使焊缝得到了粗大的等轴枝晶组织，且组织中共晶相的数量明显增多，降低了焊缝的强度、硬度和塑性。
　　(3) 双丝MIG焊时两根焊丝在同一熔池中燃烧，提高了总的焊接电流，焊接效率远高于单丝焊，特别适合于中厚板铝合金焊接。

1．3．1接头形式

焊条电弧焊常用的基本的接头形式有对接、搭接、角接和T形接。选择接头形式时，主要根据产品的结构，并综合考虑受力条件、加工成本等因素。对接与搭接相比，具有受力简单均匀、节省金属等优点，故应用最多。但对接接头对下料尺寸和组装要求比较
严格。

1．3．2坡口形式

根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状，经装配后构成的沟槽称为坡口。利用机械 ( 剪切、刨削或车削 ) 、火焰或电弧(碳弧气刨)等加工坡口的过程称为开坡口。开坡口使电弧能深入坡口底层，保证底层焊透，便于清渣，获得较好的焊缝成形，还能调节焊缝金属中母材和填充金属的比例。
弧焊的坡口形式应根据焊件结构形式、厚度和技术要求选用，常用的坡口形式有：I 形、V 形、X 形、Y 形、双 Y 形、 U 形坡口带钝边等。一般对接接头板厚1—6mm 时，用I 形坡口采用单面焊或双面焊即可保证焊透；板厚≥3mm 时，为了保证焊缝有效厚度或焊透，改善焊缝成形，可加工成 Y 形、X 形、U 形等各种形状的坡口。
在板厚相同时，双面坡口比单面坡口、 U 形坡口比 V 形坡口消耗焊条少，焊接变形小，随着板厚增大，这些优点更加突出。但 U 形坡口加工较困难，坡口加工费用较高，一般用于较重要的结构。
当不同厚度的钢板对接时，应按有关标准和技术文件的要求对厚钢板坡口侧进行削薄处理。
坡口形式及其尺寸一般随板厚而变化，时还与焊接方法、焊接位置、热输入量。坡口加工方法以及工件材质等有关。坡口形式与尺寸详见国家标准GB／T985—1988《气焊、焊条电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸》。

1．3．3焊缝衬垫

当要求焊缝全焊透且只能从接头的一面进行焊接时，除了采用单面焊双面成形焊接操作技术外，还可以采用焊缝背面加焊接衬垫的方法。使用焊接衬垫的目的是提供条件使第一层金属熔敷在衬垫之上，从而避免该层熔化金属从接头底层漏穿。
常用的衬垫有四种形式：衬条、打底焊缝、铜衬垫和非金属衬垫。
1) 衬条 衬条是放在接头背面的金属条。第一条焊道使接头的两边结合在—起并与衬条相接。如果衬条不妨碍接头的使用特性，则可保留在原位置上；否则，衬条应拆除掉。衬条须采用与所使用的母材和焊条在冶金上相配的材料制成。
2) 铜衬垫 有时采用铜衬垫在接头底层支撑焊接熔池，它适用于平直对接焊缝。铜的热导率较高，有助于防止焊缝金属与衬垫熔合。
3) 非金属衬垫 难熔衬垫是一种可伸缩的成形件，用夹具或压敏带贴紧在接头背面，它适用于空间曲面对接焊缝。焊条电弧焊方法有时也使用这种衬垫。使用时应遵循衬垫制造厂推荐的规范。
4) 打底焊缝 打底焊缝是在单面坡口焊接接头中的一道或多道的背面焊道。这种焊缝是在坡口正面熔敷第一道焊缝之前在接头背面熔敷的，完成打底焊缝之后，所有的其余焊道均从正面在坡口内完成。

1．3．4 焊接位置

熔焊时，焊件接缝所处的空间位置称为焊接位置，按焊缝空间位置的不同可分为：平焊、立焊、横焊和仰焊等位置，如图3-10所示。
水平固定管的对接焊缝，包括了平焊、立焊和仰焊等焊接位置。类似这样的焊接位置施焊时，称为全位置焊接。
在乎焊位置施焊时，熔滴可借助重力落入熔池。熔池中气体、熔渣容易浮出表面。因此，平焊可以用较大电流焊接，生产率高，焊缝成形好，焊接质量容易保证，劳动条件较好。因此，一般应尽量在乎焊位置施焊。当然，在其他位置施焊，也能保证焊接质量，但对焊工操作技术要求较高，劳动条件较差。

1．3．5 焊条消耗量计算

在进行焊接施工时，正确地估算焊条的需用量是相当重要的，估算过多，将造成仓库积压：估算过少，将造成工程预算经费的不足，有时甚至影响工程的正常进行。焊条的消耗量主要由焊接结构的接头形式、坡口形式和焊缝长度等因素决定，可查阅有关焊条用量定额手册等，也可按下述公式进行计算：
1) 焊条消耗量通常按下式计算：
m=alp/1 — K S
式中 m ——焊条消耗量 (g) ；
A ——焊缝横截面积 (cm2) ；
J——焊缝长度 (cm) ；
p——熔敷金属的密度 (g／cm3) ；
Ks——焊条损失系数，见表 3 — 17。
上式中的焊缝横截面积 A 可按表 3 — 16中的公式进行计算。
2) 非铁粉型焊条消耗量也可按下式计算：s
m=alp/Kn * (1+Kb)
式中 m——焊条消耗量 (g) ；
A ——焊缝横截面积(cm2)，见表3—16 ：
l——焊缝长度 (cm) ；
p——熔敷金属的密度 (g／cm3) ：
Kb——药皮质量系数，见表 3 — 18 ：
Kn——金属由焊条到焊缝的转熔系数(包括因烧损、飞溅及焊条头在内的损失 )，见表 3-19 。

表 3-19 焊条损失系数 Ks

焊条型号(牌号)

E4303
(J422)

E4320
(J424)

E5014
(J502Fe)

E5015
(J507)

Ks

0．465

0．47

0．41

0．44