等離子弧焊維弧行為研究
摘要：論述了等離子弧焊中維弧的存在形式及其對主弧的穩定機理,提出了解決主、維弧相互干涉的各種可能途徑如採用斷續維弧、交流維弧或使主、維弧具有不同通道及從維弧形態等方面提高主弧穩定性的具體措施.
關鍵字：等離子弧焊；維弧；主弧；電弧形態；電弧穩定性
等離子弧由於具有能量密度高、衝擊力大、電弧穩定等特點得到廣泛套用,如等離子弧焊、等離子噴焊(塗)和等離子切割等.但等離子弧無論採用轉移弧還是聯合型弧,無論是直流還是交流,在引燃主電弧時或在主電弧燃燒過程中,都利用了非轉移弧即燃燒於噴嘴鎢電極之間的電弧,它的作用是提供導電通道、穩定主電弧及作為輔助熱源等,故又稱之為維弧.維弧的存在與否以及它的形態對主弧的穩定性、焊接與噴焊(塗)過程及產品質量都有著極其重要的影響,但目前對這方面問題研究甚少.本文在試驗的基礎上對維弧在等離子弧焊中的行為進行了系統研究,旨在找出其規律性指導焊接實踐.
1 維弧的存在形式
1.1 直流聯合等離子弧
眾所周知,常規等離子弧焊接和切割較多採用轉移型等離子弧,而當用微束等離子焊接和粉末噴焊則多為聯合型等離子弧.前者是當鎢極和噴嘴間引燃維弧時,立即接通鎢極和工件間的電路,同時切斷鎢極和噴嘴間的電路.後者是在轉移弧引燃後,並不切斷維弧電路,使維弧和主弧同時存在,其原理見圖1.其中DC1為直流維弧電源,DC2為直流主弧電源.實踐證明,這兩種形式的等離子弧都是非常穩定的.
直流聯合等離子弧
眾所周知,常規等離子弧焊接和切割較多採用轉移型等離子弧,而當用微束等離子焊接和粉末噴焊則多為聯合型等離子弧.前者是當鎢極和噴嘴間引燃維弧時,立即接通鎢極和工件間的電路,同時切斷鎢極和噴嘴間的電路.後者是在轉移弧引燃後,並不切斷維弧電路,使維弧和主弧同時存在,其原理見圖1.其中DC1為直流維弧電源,DC2為直流主弧電源.實踐證明,這兩種形式的等離子弧都是非常穩定的.
圖1 直流聯合等離子弧
1.2 交流聯合等離子弧
等離子弧焊接鋁、鎂及其合金時,為同時滿足對工件熔化和對表面氧化膜清理的需要,應採用交流等離子弧.
若仍採用直流電源DC1做維弧電源,而主弧電源用普通交流電源AC(如圖2所示),則試驗發現主弧不穩定,再觀察主弧電流波形,僅存在正半波.在此基礎上,有人研製出了單電源聯合型交流等離子弧焊設備［1］,見圖3.主弧和維弧用同一交流電源供電,在此條件下,交流維弧較直流維弧具有更好的穩弧效果.這時的主弧電流波形為全波,主弧最大熄弧高度即拉長電弧至熄滅所測定的噴嘴與工件間距較直流維弧時大.因此,該方案在生產上得到了某些套用.
1.3 變極性聯合等離子弧
近年來,國內外都在競相研製專門用於鋁合金焊接的變極性等離子弧焊,其主電源為逆變器式或晶閘管電抗器式方波交流弧焊電源,它與主弧電流為正弦波的交流等離子弧焊相比,電流過零時間短,電流換向時上升率高,因而電弧穩定性有所提高.但採用直流維弧的聯合型變極性等離子弧焊時,其接線原理與圖2相似,會發生主、維弧相互干涉現象,影響主弧的引燃和穩定燃燒［2］.此外,以上各種等離子弧焊在工件相對為負半波時鎢電極均作為陽極,這就限制了其許用電流.
如果以冷卻良好的水冷銅噴嘴代替鎢電極做陽極,形成所謂的具有不同通道的變極性等離子弧焊［3］,如圖4所示,則可同時克服主、維弧相互干涉現象,降低鎢電極燒損,使等離子弧穩定性大大提高.
2 維弧的穩弧機理
維弧對主弧的穩弧機理,可以從“熱”與“場”兩個角度來探討.對直流聯合等離子弧(圖1),由於維弧的存在,使空間溫度和電離度提高,有利於鎢電極的熱電子發射,電流方向的一致性使主弧在較低的電壓下便能引燃並穩定燃燒.
當採用直流維弧的單通道交流等離子弧焊或變極性等離子弧焊(見圖2),主弧正半波時仍由鎢電極發射電子,維弧的存在有利於主弧穩定.但當轉為主弧負半波時,由冷陰極如鋁工件發射電子,這時維弧的存在從“熱”的角度看是有利的,但從“場”的角度,主、維弧電流方向相反,維弧對以場致發射為主的負半波電流所需場強起著消電離作用,因而不利於主弧負半波的穩定甚至熄滅.這就提供了兩條解決主、維弧干涉的途徑:一是從維弧方面,將其變為斷續維弧或交流維弧,以適應主弧場強變化；二是改變主弧負半波的導電通路,使主、維弧“各行其道”,以滿足主弧熱發射和場致發射要求,提高等離子弧穩定性.
3 維弧形態對主弧穩定性的影響
既然明確了等離子弧焊中維弧對主弧具有穩定作用,且對不同極性的主弧,維弧要隨之變化,因此在實際焊接過程中,要調整維弧的形態,使之適應主弧,從“熱”與“場”兩方面提高其燃燒穩定性.
所謂電弧形態是指電弧的弧柱和弧焰的外觀形狀、輪廓等.維弧陽極斑點在噴嘴孔壁上,外部形態為弧焰.正常維弧形態,應為有明顯輪廓沿軸向穩定的錐狀焰流.若無明顯輪廓或內縮在噴嘴內,或焰流飄動或焰流偏向一側,均屬不正常形態,表明陽極斑點位置不當或離子氣流量偏小等.陽極斑點不當主要是焊槍未調好造成.不正常形態易造成爬弧、雙弧等工藝故障,甚至燒壞噴嘴.
當採用交流或變極性甚至反極性等離子弧焊鋁時,維弧主要影響主弧負半波的轉弧特性和穩定燃燒.除要求噴嘴和工件間距小於某值及加於兩者間空載電壓大於某值外,維弧焰流形態及其穩定性也是重要的影響因素.保持足夠長且穩定的維弧焰流形態,能夠保證可靠地轉移主弧且使其穩定燃燒.焊接過程中維弧焰流變短或縮到噴嘴孔內,就可能出現雙弧或偏弧.若突然切斷維弧,往往會導致主弧失穩即主弧陰極斑點在工件表面劇烈遊動使加熱點分散導致工件上熔池消失而陽極斑點(噴嘴做陽極時)遊動到噴嘴孔外或端面上造成噴嘴孔直徑擴大或將噴嘴端面燒成麻坑,需經銼修後才可繼續使用.因此,維弧的存在和保持所需的形態和尺寸,是主弧負半波能穩定燃燒的重要保證.
4 結論
1)維弧的存在從“熱”與“場”兩方面有利於等離子主弧的穩定.
2）對不同類型的等離子主弧,應採用不同形式的維弧,以使主、維弧電流和場強變化相適應.維弧應保持應有的形態和尺寸,才能滿足主弧轉弧和穩定燃燒的需要.
