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等离子弧焊维弧行为研究 |
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作者：甘肃工业大学 陈克选 |
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摘要： 论述了等离子弧焊中维弧的存在形式及其对主弧的稳定机理,提出了解决主、维弧相互干涉的各种可能途径如采用断续维弧、交流维弧或使主、维弧具有不同通道及从维弧形态等方面提高主弧稳定性的具体措施.
关键词： 等离子弧焊； 维弧； 主弧； 电弧形态； 电弧稳定性
等离子弧由于具有能量密度高、冲击力大、电弧稳定等特点得到广泛应用,如等离子弧焊、等离子喷焊(涂)和等离子切割等.但等离子弧无论采用转移弧还是联合型弧,无论是直流还是交流,在引燃主电弧时或在主电弧燃烧过程中,都利用了非转移弧即燃烧于喷嘴钨电极之间的电弧,它的作用是提供导电通道、稳定主电弧及作为辅助热源等,故又称之为维弧.维弧的存在与否以及它的形态对主弧的稳定性、焊接与喷焊(涂)过程及产品质量都有着极其重要的影响,但目前对这方面问题研究甚少.本文在试验的基础上对维弧在等离子弧焊中的行为进行了系统研究,旨在找出其规律性指导焊接实践.
1维弧的存在形式
1.1直流联合等离子弧
众所周知,常规等离子弧焊接和切割较多采用转移型等离子弧,而当用微束等离子焊接和粉末喷焊则多为联合型等离子弧.前者是当钨极和喷嘴间引燃维弧时,立即接通钨极和工件间的电路,同时切断钨极和喷嘴间的电路.后者是在转移弧引燃后,并不切断维弧电路,使维弧和主弧同时存在,其原理见图1.其中DC1为直流维弧电源,DC2为直流主弧电源.实践证明,这两种形式的等离子弧都是非常稳定的。
图1直流联合等离子弧
1.2交流联合等离子弧
等离子弧焊接铝、镁及其合金时,为同时满足对工件熔化和对表面氧化膜清理的需要,应采用交流等离子弧。
若仍采用直流电源DC1做维弧电源,而主弧电源用普通交流电源AC(如图2所示),则试验发现主弧不稳定,再观察主弧电流波形,仅存在正半波.在此基础上,有人研制出了单电源联合型交流等离子弧焊设备［1］,见图3.主弧和维弧用同一交流电源供电,在此条件下,交流维弧较直流维弧具有更好的稳弧效果.这时的主弧电流波形为全波,主弧最大熄弧高度即拉长电弧至熄灭所测定的喷嘴与工件间距较直流维弧时大.因此,该方案在生产上得到了某些应用。
图2直流维弧交流等离子弧焊
图3单电源联合交流等离子弧焊
1.3变极性联合等离子弧
近年来，国内外都在竞相研制专门用于铝合金焊接的变极性等离子弧焊，其主电源为逆变器式或晶闸管电抗器式方波交流弧焊电源，它与主弧电流为正弦波的交流等离子弧焊相比，电流过零时间短，电流换向时上升率高，因而电弧稳定性有所提高.但采用直流维弧的联合型变极性等离子弧焊时，其接线原理与图2相似，会发生主、维弧相互干涉现象，影响主弧的引燃和稳定燃烧［2］.此外，以上各种等离子弧焊在工件相对为负半波时钨电极均作为阳极，这就限制了其许用电流。
如果以冷却良好的水冷铜喷嘴代替钨电极做阳极，形成所谓的具有不同通道的变极性等离子弧焊［3］，如图4所示，则可同时克服主、维弧相互干涉现象，降低钨电极烧损，使等离子弧稳定性大大提高。
图4具有不同通道变极性等离子弧焊
2维弧的稳弧机理
维弧对主弧的稳弧机理，可以从“热”与“场”两个角度来探讨.对直流联合等离子弧(图1)，由于维弧的存在，使空间温度和电离度提高，有利于钨电极的热电子发射，电流方向的一致性使主弧在较低的电压下便能引燃并稳定燃烧。
当采用直流维弧的单通道交流等离子弧焊或变极性等离子弧焊(见图2)，主弧正半波时仍由钨电极发射电子，维弧的存在有利于主弧稳定.但当转为主弧负半波时，由冷阴极如铝工件发射电子，这时维弧的存在从“热”的角度看是有利的，但从“场”的角度，主、维弧电流方向相反，维弧对以场致发射为主的负半波电流所需场强起着消电离作用，因而不利于主弧负半波的稳定甚至熄灭.这就提供了两条解决主、维弧干涉的途径:一是从维弧方面，将其变为断续维弧或交流维弧，以适应主弧场强变化；二是改变主弧负半波的导电通路，使主、维弧“各行其道”，以满足主弧热发射和场致发射要求，提高等离子弧稳定性.
3维弧形态对主弧稳定性的影响
既然明确了等离子弧焊中维弧对主弧具有稳定作用，且对不同极性的主弧，维弧要随之变化，因此在实际焊接过程中，要调整维弧的形态，使之适应主弧，从“热”与“场”两方面提高其燃烧稳定性。
所谓电弧形态是指电弧的弧柱和弧焰的外观形状、轮廓等.维弧阳极斑点在喷嘴孔壁上，外部形态为弧焰.正常维弧形态，应为有明显轮廓沿轴向稳定的锥状焰流.若无明显轮廓或内缩在喷嘴内，或焰流飘动或焰流偏向一侧，均属不正常形态，表明阳极斑点位置不当或离子气流量偏小等.阳极斑点不当主要是焊枪未调好造成.不正常形态易造成爬弧、双弧等工艺故障，甚至烧坏喷嘴。
当采用交流或变极性甚至反极性等离子弧焊铝时，维弧主要影响主弧负半波的转弧特性和稳定燃烧.除要求喷嘴和工件间距小于某值及加于两者间空载电压大于某值外，维弧焰流形态及其稳定性也是重要的影响因素.保持足够长且稳定的维弧焰流形态，能够保证可靠地转移主弧且使其稳定燃烧.焊接过程中维弧焰流变短或缩到喷嘴孔内，就可能出现双弧或偏弧.若突然切断维弧，往往会导致主弧失稳即主弧阴极斑点在工件表面剧烈游动使加热点分散导致工件上熔池消失而阳极斑点(喷嘴做阳极时)游动到喷嘴孔外或端面上造成喷嘴孔直径扩大或将喷嘴端面烧成麻坑，需经锉修后才可继续使用.因此，维弧的存在和保持所需的形态和尺寸，是主弧负半波能稳定燃烧的重要保证。
4结论
1) 维弧的存在从“热”与“场”两方面有利于等离子主弧的稳定.
2）对不同类型的等离子主弧，应采用不同形式的维弧，以使主、维弧电流和场强变化相适应.维弧应保持应有的形态和尺寸，才能满足主弧转弧和稳定燃烧的需要.
作者简介： 陈克选 (1962-)，男，山西临猗人，甘肃工业大学讲师，博士生.
作者单位：甘肃工业大学材料工程系甘肃 兰州730050
参考文献：
［1］张修智，牛济泰，黄继华，等.单电源联合型交流等离子弧稳弧机理的探讨［J］.焊接学报，1989，(1)：13-18.
［2］郑兵，王其隆，王涛.方波交流等离子弧立焊主维弧干涉原因及解决措施［J］.焊接学报，1995，(1)：1-8.
［3］陈克选，王雅生.具有不同通道变极性等离子弧焊设备研制［J］.甘肃工业大学学报，1999，25(2)：11-16.(end)
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(3/23/2008) |
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