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脉冲TIG弧电学特性研究现状

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  摘要: 本文对脉冲TIG弧电学特性的研究现状进行了总结、探讨,认为现阶段对脉冲TIG弧电学特性研究的基础和对象有了清晰地认识,研究方内容主要集中于脉冲TIG弧的挺度、压力、阳极行为、功率、频率、物理特性、电弧稳定性等方向,但在波形和频率等方向尚有不足。
  关键词:脉冲TIG弧;电学特性;研究现状;
  Abstract: This paper summarizes and discusses the study status of pulse TIG electricity properties, thinking that the understanding of the foundation and objects of pulse TIG electricity properties is clear at present, with the direction of stiffness, pressure, anode behavior, power, frequency, physical characteristics, arc stability, while the defects in waveform and frequency.
  Key words: pulse TIG arc; electricity properties; study status
  中图分类号:O441.1文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2012)
  1. 脉冲TIG焊
   脉冲TIG焊在工艺上的主要特点在于采用可控的脉冲电流来加热工件,其电弧线能量低,适于焊接薄板或者超薄板;电脉冲规范调整参数多,有利于精确控制焊接能量及其分布。
   脉冲TIG焊按照直交流划分为直流脉冲TIG焊和交流脉冲TIG焊。
   脉冲TIG焊使用的脉冲频率范围目前主要有两个区域:一个区域是0.5~10Hz,是应用最广泛的一种,称为低频TIG焊,另一个区域是10KHz~30KHz,称为高频TIG焊。其中,在10Hz~10KHz范围内,由于电弧的闪烁和噪声而应用很少。
  2. 脉冲TIG弧电学特性的研究现状
   电学特性是脉冲TIG弧其研究的一个重要方面,主要包括其电流密度、阳极行为、高频效应等。
   在国外,二十世纪八十年代初期制造的脉冲TIG焊接电源已经达到了20KHz的水平,当时一些国外学者对此进行了研究。
   T. Yamaoto等对电弧的挺度和脉冲频率的关系进行了研究。结果表明:随着电弧脉冲频率的增加,电弧挺度增加,但当脉冲频率超过5KHz时,电弧的挺度和频率的关系已不明显,此时的电弧挺度只是脉冲值与占空比的函数。
   随后George E. Cook等对直流TIG弧与脉冲TIG弧的电弧压力进行了定量研究。经研究发现:在同等的输入功率条件下,脉冲TIG弧的电弧压力比直流TIG弧的压力可大至十倍,然而随着占空比的增大,脉冲TIG弧的电弧压力迅速下降,直至接近直流。
   这方面的研究在国内开始于二十世纪九十年代,国内学者对高频脉冲TIG弧的机理以及工艺进行了深入细致的研究。
   赵家瑞、孙栋、胡绳荪等在对20KHz以下高频脉冲TIG焊电弧的阳极行为进行了研究。首次测定了高频脉冲TIG焊电弧阳极的平均电流密度分布和中心电流密度动态过程,发现电弧阳极平均电流密度径向分布可用正态分布函数来描述,见图1。
  
  
   电弧阳极电流密度随脉冲频率提高而增大,电流分布半径随频率增加而减小,脉冲频率进一步提高,其变化速度减慢,最后趋于稳定。
   通过对高频TIG焊电弧阳极轴向压力分布进行测定,发现其轴向压力分布可用分段函数描述,靠近电弧中心部分符合正态分布,而靠近电弧边缘部分符合指数分布。电弧中心轴向压力,开始随频率增加而增加,当频率为5KHz时达到最大值,然后,随脉冲频率增加而减小。电弧阳极轴向压力随着电流增大而显著增大,随着弧长增大而减小。
   通过高频TIG焊电弧阳极电流密度动态过程的测定,赵家瑞等还发现在脉冲边沿存在一个电流密度尖峰,它是产生高频压缩效应的主要原因,从而明确了高频TIG焊电弧高频效应的实质。实验证明,焊接精密薄件,采用脉冲频率为20KHz左右的小电流焊接工艺,其电弧能量密度、轴向压力均适中,且电弧稳定,噪音小,焊缝成型好。
   赵家瑞,李义丹研究了高频TIG焊电弧功率特征和高频效应机理以及它们之间的关系。通过研究脉冲焊电弧的电流电压波形,发现电弧功率随着频率增加而提高,由此提出自由电弧在脉冲电流作用下,其形态的动态过程属于惯性系统的假设,并用20000幅/s的高速摄影进行了验证,通过对惯性系统电弧的可控性分析,发现自由电弧可由高频脉冲电流控制在非稳定状态上,此时电弧脉冲电压明显提高,据此认为这就是电弧高频效应的机理。同时还研究了影响高频效应的几个主要因素,着重分析了维弧电流的作用,提出高频条件下由于电弧惯性,瞬间电流停止并不会导致电弧的熄灭,高频焊不需要维弧电流。利用电弧惯性导出脉冲电压及电弧功率与脉冲频率的关系,认为在相同平均电流情况下,电弧功率随脉冲频率增加而提高,并在频率达到一定值后功率基本不变。
   杨立军等研究了小电流TIG焊电弧的物理特性。根据电弧的热力学分析建立了电弧的数学模型,根据此数学模型和数值积分法编制了相应的计算机仿真程序,进行了小电流TIG焊电弧的数字仿真研究,分析了仿真结果和电弧动态特性的影响因素。其中电弧数学模型的获得基于以下认识:
   (1)电弧是具有热惯性的,电弧电阻也具有惯性,因而在电流突变时电阻不能突变。
   (2)电弧起始点与终止点都在直流电弧静特性伏安曲线上。
   小电流电弧的静特性见图2所示的QP段,为下降特性,这是在电弧的电流和电压的相对稳定状态或以足够缓慢的速率变化时的瞬时值。当电流以阶跃信号的方式由Q点变化到P点时,电弧电压将沿QCP曲线变化。由Mayr方程,得到焊接电弧的传递函数
   (1)
  式中,为Q点电弧的静态电阻;为QP段的微分电阻;为焊接电弧的时间常数,由电弧本身的热物理和电磁过程决定,表明电流突变时电压的变化惯性。可以看出焊接电弧的传递函数包含一个一阶微分环节和一个惯性环节,在电流较大、弧长较短时,较小,可以将式(1)简化为惯性环节。
   (2)
   董天顺等建立了同样的数学模型,重点分析了脉冲电流和脉冲TIG焊电弧的时间常数对电弧动态特性的影响。为分析、研究小电流TIG焊电弧的动态特性提供了一条新的途径。
   殷树言、王其隆等对小电流高频TIG焊的电弧稳定性做了大量的研究 。指出小电流TIG焊电弧稳定性与电流频率有密切关系。随着脉冲频率的提高,电弧有明显的收缩倾向,电弧收缩将影响电弧的电特性和力特性。不同脉冲频率时的电弧静特性曲线见图3。
  电流图3所示的电弧静特性曲线有两个特点,一是就每条曲线而言,电流小于6~7A时,随着电流的减小,电弧电压提高。而电流较大时,电弧电压基本不变,呈平特性。只是在脉冲频率较高时,电弧的静特性有上升趋势。另一特点是随着脉冲频率的提高,电弧电压也提高,在10A左右大致为正比关系,前者与一般规律相同,而后者却说明随着脉冲频率的提高,电弧电场强度相应提高,这一结果是由于电弧收缩引起的。

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