脈動送氣方式及其電弧現象

趙雙喜，宋永倫，張文輝，王艷清

（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

脈動送氣方式及其電弧現象

趙雙喜，宋永倫，張文輝，王艷清

（北京工業(yè)大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124）

提出一種脈動式保護氣體TIG焊工藝。介紹脈動送氣系統(tǒng)的構成與控制功能，觀測了脈動送氣的電弧現象和氣流變化。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，促進熔池運動，能達到一種能量脈沖的工藝效果。

TIG焊；保護氣體；脈動送氣；電弧現象

0　前言

鎢極惰性氣體保護焊（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——氬氣（Ar）和氦氣（He）。當添加一定量的N2、H2等氣體時，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，電弧穩(wěn)定性好，但氬弧容易擴散，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。俄羅斯學者A.M.Zhernosekov，R.G.Tazetdinov等人提出了交替保護氣體的熔化極弧焊工藝，結果表明：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。國內在這方面的研究尚未見報道。

本研究提出一種脈動式保護氣體TIG焊工藝。在直流電流條件下，控制器控制電磁閥動作交替供給保護氣體氬氣和氦氣；在脈沖電流條件下，脈沖電流基值時采用電弧穩(wěn)定性好的氬氣，在電流峰值時采用熔透能力較強的氦氣[3]，跟隨脈沖電流交替供給，更好地發(fā)揮兩種氣體的優(yōu)勢和脈沖TIG焊工藝的特點，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，促進熔池運動，達到一種“能量脈沖”的工藝效果。

1　脈動送氣系統(tǒng)與功能

1.1脈動送氣的控制

脈動送氣控制原理如圖1所示。其要求的功能是：交替輸送不同保護氣體并要求與脈沖電流實現同步。由電流傳感器實時監(jiān)測焊接脈沖電流信號[4]，經過轉換變成電壓信號給保護氣體控制器提供脈沖信號輸入，分別控制不同氣體的電磁閥開關，對焊槍實現氣體切換。其中，對硬件電路的要求是反應時間必須控制在毫秒級。輸出信號控制電磁閥的動作必須跟隨霍爾電流傳感器輸出脈沖信號，對時間延時控制亦在毫秒級。

圖1　脈動送氣控制系統(tǒng)示意

對控制器設有自發(fā)和觸發(fā)兩種工作模式。自發(fā)模式即控制器自設給電磁閥信號交替動作，進行交替保護氣體的供給；觸發(fā)模式即控制器跟隨脈沖電流信號，控制電磁閥動作進行交替保護氣體的供給。在控制器工作前，需要進行自發(fā)模式和觸發(fā)模式的模式選擇，并進行參數設置。

1.2電磁閥選擇

由于電磁閥的動作要緊跟脈沖信號，因此需要對電磁閥的響應時間提出較高要求。在此選用尼克福斯的高頻電磁閥，型號為35A-ACA-DDAA-1BA。主要技術參數有：直流24 V供電，功率5.4 W，通電響應時間6 ms，斷電響應時間2 ms。

由電流信號上升沿觸發(fā)兩個電磁閥的切換動作。電磁閥關閉時間為2 ms，同時觸發(fā)另一電磁閥的打開，而電磁閥打開的時間為6 ms，對切換過程中的4 ms處于無保護氣體狀態(tài)的時間，通過在控制器的控制程序中加延時來解決。

1.3人機界面設計

人機界面是用于設定控制參數和方便操作。系統(tǒng)所選人機界面為昆侖通態(tài)公司生產的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。

觸摸屏界面設計使用了MCGS7.6嵌入版組態(tài)軟件，經過功能優(yōu)化和操作方便的考慮，操作者根據工藝設計選擇不同的模式。需要設置的參數有：電磁閥觸發(fā)時間為脈寬參數設置，電磁閥延時關閉補償時間參數設置等；同時為了操作者更直接的觀察系統(tǒng)狀態(tài)，界面中可以實時顯示保護氣體的供給狀態(tài)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常等信息。

2　脈動送氣的電弧現象與效果

2.1脈動送氣的電壓變化

直流30～200A及脈沖電流基值50A、峰值120A條件下，Ar和Ar-He保護氣體轉換產生的電弧弧壓變化值的檢測結果如表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　不同保護氣體條件下的弧壓值

圖2　電弧電壓與電流波形

2.2脈動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的氣流流場的變化。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）聚集現象。在氣流場的形貌方面，氬氣保護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，兩者保護范圍和效果的不同，顯然氬氣保護的范圍會較大些。

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　脈動送氣的焊接電參數特征

3.1脈動送氣正脈沖特征

在脈沖電流條件下，不同保護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2 mm，脈沖電流基值50 A、峰值120 A。圖5a為單一保護氣體氬氣的弧壓圖，圖5b為與焊接脈沖電流同步的弧壓圖，基值時段通氬氣，峰值時段通氦氣。

圖5　相同脈沖電流不同保護氣體類型的弧壓波形

由圖5可知，脈沖電流條件下，同一種保護氣體氬氣產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-氦氣交替供給產生的弧壓也是脈沖弧壓，基值通氬氣時弧壓平均為11.7V，峰值通氦氣時弧壓平均為17.9V，弧壓相差6.2 V。因此，在脈沖電流下，通過保護氣體的切換可產生顯著的弧壓脈沖，加強了脈沖電弧的“脈動效應”。

3.2兩種電壓“負脈沖”現象

當脈沖電流基值電流遠小于峰值電流值時，不論是單一保護氣體氬氣還是He-Ar交替供給，弧壓都出現“負脈沖”現象。圖6為脈沖電流基值為7A、峰值80 A、占空比80％，通單一保護氣體氬氣的“負脈沖”波形圖；圖7為脈沖電流基值12A、峰值120A，占空比80％，電流基值時通氦氣，峰值時通氬氣，He-Ar交替保護氣體下“負脈沖”波形。

由圖6a可見，電流為基值時氬弧電壓為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22.8 V。這一現象的機理是“非熱等離子態(tài)”電弧與“熱等離子態(tài)”電弧的轉換，即電弧在“負阻特性”和“正阻特性”之間的變化。圖7是以U-I圖方式表達圖6b的He-Ar交替保護的“負脈沖”電弧特征。

4　結論

介紹了脈動送氣系統(tǒng)的構成與控制功能，觀測脈動送氣的電弧現象。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，均能達到一種“能量脈沖”的工藝效果。利用脈動送氣功能，可觀測到電弧的負脈沖現象，能夠為“非熱等離子”電弧物理的研究提供穩(wěn)定工作的條件。

圖6　“負脈沖”波形

圖7　He-Ar交替保護下“負脈沖”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.不同保護氣體對6082－T6鋁合金GTAW焊接接頭組織和力學性能的影響[J]．機械工程材料，2014（38）：43-46.

[4]陸婷婷．弧焊過程信息監(jiān)測及工程化應用研究[D]．北京：北京工業(yè)大學大學，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

國家自然科學基金項目（51275009）

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