變極性TIG焊微電流短路引弧技術(shù)研究

姚瑤

摘要： 基于變極性TIG焊電弧的特點(diǎn)，在作者研發(fā)的雙芯雙逆變變極性TIG焊電源的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種針對(duì)變極性TIG焊的微電流短路引弧方式，將整個(gè)引弧過(guò)程分為：短路階段、維弧階段和電流緩升階段?？梢杂行У慕鉀Q變極性TIG焊在短路引弧時(shí)容易出現(xiàn)的鎢極燒損、電流過(guò)沖等問(wèn)題。并針對(duì)不同輸出電源類型，不同被焊材料，進(jìn)行了微電流引弧試驗(yàn)。試驗(yàn)證明：DCEN，DCEP，脈沖輸出時(shí)均能實(shí)現(xiàn)短路電流為1～2 A的微電流穩(wěn)定引弧，未出現(xiàn)明顯的鎢極燒損，引弧成功率高并且沒(méi)有出現(xiàn)熄弧的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞： 短路引??； 微電流； 鎢極燒損

中圖分類號(hào)： TH12

Abstract： Based the characteristics of variable polarity TIG welding， founded on the doublechip doubleinverter system which researched by writer， a tiny current short arc ignition with three stages was designed， the three stages are short stage， maintain stage and current slow rising stage. The problems of tungsten weariness，current rushing etc which appears easily during short arc ignition can be solved effectively. And tiny current arc ignition experiment was carry out based on different styles of current source and welded materials. The experiments proved： the arc ignition is stable when the current is 1-2 A with the strategy of the tiny current arc ignition， as the different sources of DCEN， DCEP and pulse， without any obvious tungsten weariness and arc extinguish，and the arc ignition success rate is quite high.

Key words： short arc ignition； tiny current； tungsten weariness

0 前言

常用的TIG焊一般采用高頻高壓或高壓脈沖等非接觸引弧，可獲得比較好的引弧效果；但它也具有對(duì)人體產(chǎn)生危害、干擾周邊環(huán)境及設(shè)備等缺點(diǎn)，尤其是高頻高壓、高壓脈沖在引弧時(shí)很容易造成逆變主電路中的電子元器件的破壞，據(jù)此，在使用變極性TIG焊焊接鋁和鋁合金時(shí)，采用短路引弧可以避免高頻高壓、高壓脈沖對(duì)逆變電路的損壞[1]。

通常TIG焊接觸短路引弧存在的問(wèn)題有[2]：

（1） 短路過(guò)程中容易造成電流沖擊，導(dǎo)致鎢極燒損，會(huì)形成焊縫夾鎢，使焊接質(zhì)量下降。（2）接觸短路時(shí)容易造成鎢極表面污染，會(huì)使得鎢極的電子發(fā)射能力下降，焊接過(guò)程不穩(wěn)定。（3）電弧引燃時(shí)可能形成電流上沖或下沖。電流上沖過(guò)大，焊接薄板時(shí)容易燒穿；電流下沖過(guò)大容易熄弧。

而對(duì)于變極性TIG焊來(lái)說(shuō)，焊接電弧可在DCEP（直流電極接正）和DCEN（直流電極接負(fù)）兩種狀態(tài)下工作，由于鎢極和被焊工件（如鋁及鋁合金）在材料物理特性的差異，不同的電源極性工作狀態(tài)下短路引弧的技術(shù)要求也有所不同，因此變極性TIG焊短路引弧需要采取特殊的引弧技術(shù)。

1 短路引弧技術(shù)的設(shè)計(jì)

[JP2]為保證變極性電源系統(tǒng)的響應(yīng)速度，研發(fā)了一套數(shù)字化雙芯雙逆變結(jié)構(gòu)的變極性TIG焊電源，其電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸出的方波交變電流其正負(fù)半周的電流大小、工作時(shí)間都獨(dú)立可調(diào)，可優(yōu)化滿足以鋁及其合金為典型的材料焊接需求。該逆變電源的主電路采用二次逆變結(jié)構(gòu)，控制電路部分采用雙DSP的雙芯結(jié)構(gòu)。

1.1 變極性TIG焊短路引弧策略

針對(duì)上述變極性TIG短路接觸引弧可能存在的問(wèn)題，要避免在短路接觸過(guò)程中鎢極燒損和工件熔化、導(dǎo)致焊縫夾鎢和鎢極表面污染；減小電流沖擊，同時(shí)保證在變極性TIG焊的各種工作條件下引弧穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)了如圖2所示的微電流短路引弧控制策略。該策略將變極性TIG焊引弧過(guò)程分為三個(gè)階段，即短路階段、維弧階段、電流緩升階段。

短路階段采用微電流。與非接觸式引弧不同的是短路引弧在引弧初期電極和工件之間發(fā)生接觸，對(duì)于電源來(lái)說(shuō)為短路過(guò)程。不同操作者由于操作習(xí)慣不同使得短路階段的時(shí)間不同，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)，要保證短路電流的加熱作用不會(huì)發(fā)生鎢極燒損和工件熔化。要達(dá)到上述效果短路電流值一般不能大于5 A[2-3]。

短路階段結(jié)束后，在電極與工件分開(kāi)瞬間細(xì)小的空氣間隙被擊穿，電弧引燃，進(jìn)入維弧階段。維弧階段需要保持一定的電流值，加熱鎢極，保證引弧穩(wěn)定。此時(shí)，弧柱擴(kuò)張，電弧逐漸保持穩(wěn)定。

引弧狀態(tài)穩(wěn)定后進(jìn)入電流緩升階段。電流在一定時(shí)間內(nèi)緩升至工作電流（直流），避免出現(xiàn)電流沖擊。然后再?gòu)闹绷鞴ぷ麟娏鬓D(zhuǎn)入正常變極性電源的工作電流。

1.2 引弧過(guò)程控制流程設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)該變極性TIG焊微電流短路引弧策略，主要在于短路電流的控制以及短路—燃弧狀態(tài)的判斷[4-5]。

系統(tǒng)所使用的DSP最大采樣頻率能達(dá)到12.5 MHz，根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)及需求，選擇的采樣頻率為40 kHz，保證控制系統(tǒng)在引弧過(guò)程中可以快速反應(yīng)。而短路—燃弧的狀態(tài)是通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電壓來(lái)判斷的。endprint

變極性TIG焊微電流短路引弧控制流程如圖3所示，其工作過(guò)程：接通電源（按下手柄）→提前送氣2 s→操作焊槍將鎢極與工件短路→提起焊槍→采用電弧電壓判斷電弧是否引燃→若滿足電弧引燃條件→維弧1 s→電流緩升→正常焊接→引弧結(jié)束。而在整個(gè)引弧過(guò)程的各個(gè)階段中，系統(tǒng)都引入了數(shù)字PI控制算法對(duì)各階段的電流進(jìn)行控制，以保證對(duì)各階段電流的精確控制，達(dá)到良好的引弧效果。

控制算法采用位置式的數(shù)字PI算法[6-7]，其計(jì)算公式如下式所示：

式中uk為第k次采樣時(shí)刻的控制量輸出值，ek為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值，Kp、Ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。這種算法實(shí)際上是比例與積分作用之和，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間做出快速反應(yīng)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)；積分環(huán)節(jié)的作用是影響調(diào)節(jié)速度，減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇合適的PI控制參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)焊接過(guò)程中對(duì)電流的精確控制。該P(yáng)I算法軟件流程如圖4所示。

2 變極性TIG焊微電流短路引弧試驗(yàn)

2.1 DCEN引弧

當(dāng)鎢極接負(fù)，工件接正時(shí)，即DCEN狀態(tài)，由于陰極為鎢極，屬于熱陰極材料，當(dāng)鎢極達(dá)到熱發(fā)射溫度時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱發(fā)射，電子從陰極表面發(fā)射出來(lái)的同時(shí)也將熱量從陰極表面帶走，對(duì)陰極表面有冷卻保護(hù)的作用。因此采用DCEN時(shí)鎢極不易出現(xiàn)燒損。

圖5為DCEN引弧時(shí)實(shí)測(cè)的電流電壓波形，其中短路電流為2 A，維弧電流為10 A，正負(fù)極性焊接電流都為80 A，被焊材料為鋁合金。在DCEN電源狀態(tài)下進(jìn)行了多次引弧試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)短路電流在2 A以上時(shí)，均能夠正常引弧，并且在引弧控制過(guò)程中電流未出現(xiàn)明顯過(guò)沖。但由于在DCEN焊接時(shí)不能去除掉鋁和鋁合金表面的氧化膜，因此，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用DCEN引弧時(shí)，在引弧處容易形成黑色斑點(diǎn)，所以在焊接鋁和鋁合金材料時(shí)，變極性TIG焊引弧一般不選擇DCEN的電源狀態(tài)。

2.2 DCEP引弧

當(dāng)鎢極接正，工件接負(fù)時(shí)，即DCEP狀態(tài)，由于陰極材料熔點(diǎn)較低，難以形成熱發(fā)射，陰極發(fā)射電子主要采用場(chǎng)致發(fā)射的方式，陰極表面會(huì)出現(xiàn)明顯的陰極斑點(diǎn)，并且斑點(diǎn)會(huì)發(fā)生移動(dòng)，電弧穩(wěn)定性較差，形成的焊縫熔深較小。當(dāng)鎢極為陽(yáng)極時(shí)，沒(méi)有熱陰極電子發(fā)射的冷卻作用，陽(yáng)極產(chǎn)熱量較大，非常容易發(fā)生鎢極燒損。因此，DCEP狀態(tài)下接觸式引弧，必須嚴(yán)格控制短路電流以避免鎢極燒損。

圖6為DCEP引弧時(shí)實(shí)測(cè)電流電壓波形，其中短路電流為1 A，維弧電流為10 A，正負(fù)極性焊接電流都為50 A，被焊材料為鋁合金。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短路電流大于1 A以后，都能夠正常引弧，并且在引弧控制過(guò)程中電流未出現(xiàn)明顯過(guò)沖。由于DCEP階段具有陰極清理的作用，并且還能自動(dòng)的尋找氧化膜區(qū)域進(jìn)行清理，因此引弧處不會(huì)出現(xiàn)DCEN引弧時(shí)的黑色斑點(diǎn)，但由于短路電流及維弧電流一般都比較小，所以陰極清理效果也不是太明顯。采用DCEP引弧方式進(jìn)行了多次引弧試驗(yàn)，試驗(yàn)證明當(dāng)短路電流在1～3 A之間時(shí)能夠有效的避免鎢極燒損。并且，電弧成功引燃后，經(jīng)過(guò)維弧階段后，弧長(zhǎng)能維持8 mm的長(zhǎng)度。

2.3 脈沖引弧

雙逆變TIG焊電源系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)變極性輸出的同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)脈沖電源的輸出，脈沖電源可以擴(kuò)大電流調(diào)節(jié)和輸出范圍，適用于焊接不銹鋼薄板等需要嚴(yán)格控制熱輸入的材料。而該微電流短路引弧方式同樣適用于脈沖電源，圖7為DCEN脈沖電流基值40 A、峰值80 A時(shí)實(shí)測(cè)的引弧電流電壓波形，其中短路電流為2 A，維弧電流為6 A，被焊材料為不銹鋼。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短路電流大于1 A，都能夠正常引弧，并且在引弧控制過(guò)程中電流未出現(xiàn)明顯過(guò)沖。并且，試驗(yàn)證明在脈沖輸出時(shí)，因?yàn)殡娏髯兓鄬?duì)較小，可以使用跟變極性相比更小的維弧電流。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)傳統(tǒng)非接觸式引弧在變極性TIG焊中出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的微電流短路引弧法，其操作簡(jiǎn)單，控制效果優(yōu)異。

（2）采用此引弧方式分別進(jìn)行了變極性電源的DCEN，DCEP以及脈沖輸出的引弧試驗(yàn)，并驗(yàn)證了在微電流引弧的情況下依然能夠保證高引弧成功率，引弧效果穩(wěn)定。

（3）不同的極性條件下采用不同的引弧短路電流，更有效地避免了在引弧階段的鎢極燒損以及電流上沖引起的薄板燒穿。

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