脈動(dòng)送氣方式及其電弧現(xiàn)象

趙雙喜，宋永倫，張文輝，王艷清

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

脈動(dòng)送氣方式及其電弧現(xiàn)象

趙雙喜，宋永倫，張文輝，王艷清

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124）

提出一種脈動(dòng)式保護(hù)氣體TIG焊工藝。介紹脈動(dòng)送氣系統(tǒng)的構(gòu)成與控制功能，觀測(cè)了脈動(dòng)送氣的電弧現(xiàn)象和氣流變化。采用氬－氦氣體的交替切換，無論在直流還是脈沖電流的條件下，均具有控制電弧能量的變化，促進(jìn)熔池運(yùn)動(dòng)，能達(dá)到一種能量脈沖的工藝效果。

TIG焊；保護(hù)氣體；脈動(dòng)送氣；電弧現(xiàn)象

0　前言

鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）是一種重要的焊接方法，使用的氣體有單一氣體、二元或多元混合氣體。單一氣體主要是惰性氣體——?dú)鍤猓ˋr）和氦氣（He）。當(dāng)添加一定量的N2、H2等氣體時(shí)，能改善熔池金屬與熔滴的表面張力或提高電弧的焓值與能量。氬弧焊時(shí)，電弧穩(wěn)定性好，但氬弧容易擴(kuò)散，加熱不夠集中；氦弧具有較大的熔透能力，但穩(wěn)定性不如氬弧。俄羅斯學(xué)者A.M.Zhernosekov，R.G.Tazetdinov等人提出了交替保護(hù)氣體的熔化極弧焊工藝，結(jié)果表明：該方法具有減少焊接變形，提高不銹鋼等材料的熔深和焊接速度[1-2]等效果。國(guó)內(nèi)在這方面的研究尚未見報(bào)道。

本研究提出一種脈動(dòng)式保護(hù)氣體TIG焊工藝。在直流電流條件下，控制器控制電磁閥動(dòng)作交替供給保護(hù)氣體氬氣和氦氣；在脈沖電流條件下，脈沖電流基值時(shí)采用電弧穩(wěn)定性好的氬氣，在電流峰值時(shí)采用熔透能力較強(qiáng)的氦氣[3]，跟隨脈沖電流交替供給，更好地發(fā)揮兩種氣體的優(yōu)勢(shì)和脈沖TIG焊工藝的特點(diǎn)，具有使弧壓有序變化的弧壓脈沖模式，控制電弧能量的變化，促進(jìn)熔池運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一種“能量脈沖”的工藝效果。

1　脈動(dòng)送氣系統(tǒng)與功能

1.1脈動(dòng)送氣的控制

脈動(dòng)送氣控制原理如圖1所示。其要求的功能是：交替輸送不同保護(hù)氣體并要求與脈沖電流實(shí)現(xiàn)同步。由電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接脈沖電流信號(hào)[4]，經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成電壓信號(hào)給保護(hù)氣體控制器提供脈沖信號(hào)輸入，分別控制不同氣體的電磁閥開關(guān)，對(duì)焊槍實(shí)現(xiàn)氣體切換。其中，對(duì)硬件電路的要求是反應(yīng)時(shí)間必須控制在毫秒級(jí)。輸出信號(hào)控制電磁閥的動(dòng)作必須跟隨霍爾電流傳感器輸出脈沖信號(hào)，對(duì)時(shí)間延時(shí)控制亦在毫秒級(jí)。

圖1　脈動(dòng)送氣控制系統(tǒng)示意

對(duì)控制器設(shè)有自發(fā)和觸發(fā)兩種工作模式。自發(fā)模式即控制器自設(shè)給電磁閥信號(hào)交替動(dòng)作，進(jìn)行交替保護(hù)氣體的供給；觸發(fā)模式即控制器跟隨脈沖電流信號(hào)，控制電磁閥動(dòng)作進(jìn)行交替保護(hù)氣體的供給。在控制器工作前，需要進(jìn)行自發(fā)模式和觸發(fā)模式的模式選擇，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

1.2電磁閥選擇

由于電磁閥的動(dòng)作要緊跟脈沖信號(hào)，因此需要對(duì)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間提出較高要求。在此選用尼克福斯的高頻電磁閥，型號(hào)為35A-ACA-DDAA-1BA。主要技術(shù)參數(shù)有：直流24 V供電，功率5.4 W，通電響應(yīng)時(shí)間6 ms，斷電響應(yīng)時(shí)間2 ms。

由電流信號(hào)上升沿觸發(fā)兩個(gè)電磁閥的切換動(dòng)作。電磁閥關(guān)閉時(shí)間為2 ms，同時(shí)觸發(fā)另一電磁閥的打開，而電磁閥打開的時(shí)間為6 ms，對(duì)切換過程中的4 ms處于無保護(hù)氣體狀態(tài)的時(shí)間，通過在控制器的控制程序中加延時(shí)來解決。

1.3人機(jī)界面設(shè)計(jì)

人機(jī)界面是用于設(shè)定控制參數(shù)和方便操作。系統(tǒng)所選人機(jī)界面為昆侖通態(tài)公司生產(chǎn)的TPC7062KX系列7.0英寸高亮度TFT液晶觸摸屏，這是以低功耗CPU為核心（主頻400 MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，配有兩個(gè)串口，端口COM2支持RS485通信，觸摸屏和控制器之間采用RS485串口通訊。

觸摸屏界面設(shè)計(jì)使用了MCGS7.6嵌入版組態(tài)軟件，經(jīng)過功能優(yōu)化和操作方便的考慮，操作者根據(jù)工藝設(shè)計(jì)選擇不同的模式。需要設(shè)置的參數(shù)有：電磁閥觸發(fā)時(shí)間為脈寬參數(shù)設(shè)置，電磁閥延時(shí)關(guān)閉補(bǔ)償時(shí)間參數(shù)設(shè)置等；同時(shí)為了操作者更直接的觀察系統(tǒng)狀態(tài)，界面中可以實(shí)時(shí)顯示保護(hù)氣體的供給狀態(tài)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常等信息。

2　脈動(dòng)送氣的電弧現(xiàn)象與效果

2.1脈動(dòng)送氣的電壓變化

直流30～200A及脈沖電流基值50A、峰值120A條件下，Ar和Ar-He保護(hù)氣體轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電弧弧壓變化值的檢測(cè)結(jié)果如表1所示，氣體的切換頻率為1 Hz。圖2分別是自觸發(fā)和電流脈沖觸發(fā)的電弧電壓與電流的波形。

表1　不同保護(hù)氣體條件下的弧壓值

圖2　電弧電壓與電流波形

2.2脈動(dòng)送氣的電弧與氣流的變化

圖3和圖4分別是Ar-He替換送氣電弧形貌的變化及其相應(yīng)的氣流流場(chǎng)的變化。由圖可見氬電弧切換為氦電弧的形貌變化，氦電弧能量向陽極（熔池）聚集現(xiàn)象。在氣流場(chǎng)的形貌方面，氬氣保護(hù)范圍自噴嘴口順鎢電極向熔池方向膨脹，而氦氣緊靠鎢電極并在鎢極端向熔池散開。由此可見，兩者保護(hù)范圍和效果的不同，顯然氬氣保護(hù)的范圍會(huì)較大些。

圖3　氬－氦替換送氣電弧形貌的變化

a氬氣b氦氣圖4　噴嘴口氬氣和氦氣氣流形貌

3　脈動(dòng)送氣的焊接電參數(shù)特征

3.1脈動(dòng)送氣正脈沖特征

在脈沖電流條件下，不同保護(hù)氣體類型的電弧弧壓波形與特征如圖5所示。氬氣流量均為15L/min，氦氣流量15 L/min，弧長(zhǎng)2 mm，脈沖電流基值50 A、峰值120 A。圖5a為單一保護(hù)氣體氬氣的弧壓圖，圖5b為與焊接脈沖電流同步的弧壓圖，基值時(shí)段通氬氣，峰值時(shí)段通氦氣。

圖5　相同脈沖電流不同保護(hù)氣體類型的弧壓波形

由圖5可知，脈沖電流條件下，同一種保護(hù)氣體氬氣產(chǎn)生的弧壓是脈沖弧壓，基值弧壓平均為11.3V，峰值弧壓平均為12.1 V，弧壓差0.8 V；氬氣-氦氣交替供給產(chǎn)生的弧壓也是脈沖弧壓，基值通氬氣時(shí)弧壓平均為11.7V，峰值通氦氣時(shí)弧壓平均為17.9V，弧壓相差6.2 V。因此，在脈沖電流下，通過保護(hù)氣體的切換可產(chǎn)生顯著的弧壓脈沖，加強(qiáng)了脈沖電弧的“脈動(dòng)效應(yīng)”。

3.2兩種電壓“負(fù)脈沖”現(xiàn)象

當(dāng)脈沖電流基值電流遠(yuǎn)小于峰值電流值時(shí)，不論是單一保護(hù)氣體氬氣還是He-Ar交替供給，弧壓都出現(xiàn)“負(fù)脈沖”現(xiàn)象。圖6為脈沖電流基值為7A、峰值80 A、占空比80％，通單一保護(hù)氣體氬氣的“負(fù)脈沖”波形圖；圖7為脈沖電流基值12A、峰值120A，占空比80％，電流基值時(shí)通氦氣，峰值時(shí)通氬氣，He-Ar交替保護(hù)氣體下“負(fù)脈沖”波形。

由圖6a可見，電流為基值時(shí)氬弧電壓為22.9V，電流峰值的氬弧電壓為10.1V，弧壓相差12.8V；由圖6b可見，電流基值時(shí)氦弧電壓為32.8 V，電流峰值的氬弧電壓為10.0 V，弧壓相差達(dá)22.8 V。這一現(xiàn)象的機(jī)理是“非熱等離子態(tài)”電弧與“熱等離子態(tài)”電弧的轉(zhuǎn)換，即電弧在“負(fù)阻特性”和“正阻特性”之間的變化。圖7是以U-I圖方式表達(dá)圖6b的He-Ar交替保護(hù)的“負(fù)脈沖”電弧特征。

4　結(jié)論

介紹了脈動(dòng)送氣系統(tǒng)的構(gòu)成與控制功能，觀測(cè)脈動(dòng)送氣的電弧現(xiàn)象。采用氬－氦氣體的交替切換，無論在直流還是脈沖電流的條件下，均能達(dá)到一種“能量脈沖”的工藝效果。利用脈動(dòng)送氣功能，可觀測(cè)到電弧的負(fù)脈沖現(xiàn)象，能夠?yàn)椤胺菬岬入x子”電弧物理的研究提供穩(wěn)定工作的條件。

圖6　“負(fù)脈沖”波形

圖7　He-Ar交替保護(hù)下“負(fù)脈沖”U-I圖

[1]Zhernosekov A M.Combined pulsed effect of shielding gases and welding current in consumable electrode welding[J]. SvarochnoeProizvodstvo，2013，66（12）：9-13．

[2]Tazetdinova R G，Novikov O M.Arc welding in shielding gases withalternatepulsedsupplyofdissimilar gase[J].SvarochnoeProizvodstvo，2012，65（1）：38-42.

[3]黃思俊.不同保護(hù)氣體對(duì)6082－T6鋁合金GTAW焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響[J]．機(jī)械工程材料，2014（38）：43-46.

[4]陸婷婷．弧焊過程信息監(jiān)測(cè)及工程化應(yīng)用研究[D]．北京：北京工業(yè)大學(xué)大學(xué)，2012．

Pulse gas supply mode in TIG welding and its arc phenomena

ZHAO Shuangxi，SONG Yonglun，ZHANG Wenhui，WANG Yanqing
（BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China）

A pulse shielding gas TIG welding technology is put forward in this article.The constitution and control function of pulse gas supply system are introduced，and the arc phenomenon and airflow changes of the pulse gas supply are observed.No matter under the condition of direct current or pulse current，using alternating argon-helium gas switch can control the change of arc energy，promote the movement of molten pool and achieve a process effect of"energy pulse".

TIG welding；shielding gas；pulse gas supply；arc phenomenon

TG444+.74

A

1001－2303（2015）11－0006-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.02

2015-05-05；

2015-07-29

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275009）

趙雙喜（1987—），男，河南新蔡人，工程師，碩士，主要從事焊接自動(dòng)化和焊接工藝的研究工作。