電流脈沖頻率對(duì)TIG電弧形態(tài)及壓力的影響研究

王宇霄 ，蔣玉霞，徐 磊，李長(zhǎng)青

1.西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039

2.成都中車長(zhǎng)客軌道車輛有限公司，四川 成都 611430

0 前言

隨著管道運(yùn)輸、壓力容器的大規(guī)模應(yīng)用，高性能厚板的需求量日益增加，對(duì)厚板的焊接工藝也有了更高要求，在保證焊接質(zhì)量的前提下，降低焊接生產(chǎn)成本、提高焊接效率，是厚板連接的主要發(fā)展方向［1］。厚板傳統(tǒng)焊接方法通常需要開大角度V形坡口，焊接填充量大，容易導(dǎo)致熱輸入大、焊接變形嚴(yán)重等問(wèn)題［2］。窄間隙焊接工藝因其熔敷量小、焊接效率高在大厚度結(jié)構(gòu)件連接中具有明顯的優(yōu)勢(shì)［3］。但窄間隙焊接過(guò)程中電弧易受到干擾［4］，發(fā)生偏吹，容易產(chǎn)生咬邊等缺陷，因此，為了得到性能優(yōu)良的焊接接頭，可以通過(guò)提高電弧挺度來(lái)增強(qiáng)電弧的穩(wěn)定性。

施加脈沖將影響電弧電磁熱，理論上會(huì)引起挺度變化，所以國(guó)內(nèi)外眾多研究集中在脈沖頻率對(duì)電弧挺度的影響。常云龍［5］等人采用小孔探針?lè)ㄌ骄苛?00 Hz內(nèi)脈沖頻率對(duì)電弧形態(tài)和壓力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著電弧頻率增大，電弧中心壓力增大，電弧收縮程度增大，電弧的剛度和挺度增大。Yang［6］等人發(fā)現(xiàn)在超高頻（>20 kHz）TIG焊中，隨著脈沖頻率的增加，電弧等離子體收縮加劇，等離子體射流力增強(qiáng)，電弧壓力增大。邱靈［7］等人在焊接電流有效值相同的前提下，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率在5 kHz以上時(shí)，電弧力是普通變極性焊接電弧力的260%左右。路林［8］探究了500 Hz內(nèi)電流脈沖頻率對(duì)電弧壓力的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖電流下電弧發(fā)生了收縮，電弧中心氣動(dòng)壓力由直流的 0.35 kPa提升到 0.44 kPa。Qi［9］等對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行GTAW電弧行為研究，發(fā)現(xiàn)隨著脈沖頻率增加，電弧等離子體發(fā)生收縮，電弧根部半徑減小，電弧力增大，焊縫變窄。

以上研究表明，脈沖頻率高有利于提高電弧挺度，但目前電流脈沖頻率的研究多集中在較小的頻率范圍，或所選頻率間隔較大。為更加詳細(xì)描述電流頻率對(duì)電弧形態(tài)的影響規(guī)律，本文將選擇不同頻段進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，探究脈沖頻率對(duì)電弧挺度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括高頻脈沖氬弧焊機(jī)、水冷紫銅板、高速攝像機(jī)和高精度壓力變送器等，系統(tǒng)組成如圖1所示。選取尺寸200 mm×150 mm×20 mm的水冷紫銅板。在水冷銅板正中心加工直徑1 mm的測(cè)壓孔，孔下端與高精度壓力變送器相連，試驗(yàn)中焊槍勻速經(jīng)過(guò)測(cè)壓孔，通過(guò)壓力變送器記錄焊接電弧的瞬時(shí)壓力值，以測(cè)量孔為中心，根據(jù)電弧運(yùn)動(dòng)路徑繪制不同頻率下的電弧壓力變化曲線。同時(shí)通過(guò)高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄不同脈沖頻率下的電弧形態(tài)。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system composition

1.2 電弧圖像處理

由于電弧圖像在形成和傳輸過(guò)程中難免存在噪聲干擾，降低了圖像質(zhì)量，給圖像分析帶來(lái)困難，且高速攝像機(jī)采集的圖片數(shù)量多，人工處理不僅效率低下，還存在較大誤差。為了提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，采取MATLAB進(jìn)行圖像自動(dòng)閾值降噪處理，對(duì)降噪后的圖像進(jìn)行填充，減少圖像邊緣的孔洞及像素孤立點(diǎn)，再對(duì)填充圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，從而獲得邊緣清晰的電弧圖像。圖像處理典型效果如圖2所示，基于處理后的圖像來(lái)測(cè)量電弧寬度。

圖2 電弧圖像處理Fig.2 Arc image processing

1.3 試驗(yàn)方案

TIG焊工藝參數(shù)如表1所示。在表1的參數(shù)條件下，改變鎢極氬弧焊電流脈沖頻率進(jìn)行試驗(yàn)，探究不同頻率段對(duì)電弧壓力和形態(tài)影響差異的大小，分別選取A、B、C、D四組脈沖頻率，如表2所示。

表1 TIG焊工藝參數(shù)Table 1 TIG welding process parameters

表2 脈沖頻率參數(shù)設(shè)置Table 2 Pulse frequency parameter setting

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 脈沖頻率對(duì)電弧形態(tài)的影響

采用高速攝像機(jī)記錄下不同脈沖頻率下的電弧形態(tài)，如圖3所示。

圖3 2～15 000 Hz脈沖頻率下的電弧形態(tài)Fig.3 Arc shapes under 2～15 000 Hz pilse frequency

對(duì)比不同脈沖頻率下的電弧形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，在脈沖頻率為50～7 000 Hz時(shí)，隨著脈沖頻率的變化，焊接電弧的收縮程度有明顯差異，體現(xiàn)為電弧最大寬度的改變。為定量研究脈沖頻率與電弧收縮程度的關(guān)系，通過(guò)鎢極直徑與電弧寬度的比例，計(jì)算不同頻率下電弧的最大寬度，繪制電弧最大寬度與電流脈沖頻率的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 電弧最大寬度與電流脈沖頻率的關(guān)系Fig.4 Relationship of arc maximum width and current pulse frequency

由圖4可知，電流脈沖頻率在2～50 Hz時(shí)，電弧最大寬度基本保持在8.15 mm，在5 000 Hz后電弧最大寬度基本穩(wěn)定在5.70 mm左右，在50～5000 Hz電弧最大寬度與電弧頻率的自然對(duì)數(shù)呈負(fù)線性關(guān)系，對(duì)該頻段曲線進(jìn)行擬合如圖5所示，獲得電弧寬度與頻率的函數(shù)關(guān)系為：

圖5 50～5 000 Hz最大電弧寬度擬合曲線Fig.5 50～5 000 Hz maximum arc width fitting curve

由圖5可知，施加頻率為50～5 000 Hz的脈沖電流后，TIG焊的電弧形態(tài)發(fā)生了明顯變化，重點(diǎn)體現(xiàn)在電弧最大寬度上的差別。隨著電流頻率增大，電弧最大寬度減小，電弧收縮程度增大。從頻率50 Hz時(shí)的8.15 mm縮小到頻率5 000 Hz時(shí)的5.29 mm，電弧最大寬度減小了35%。

2.2 脈沖頻率對(duì)電弧壓力的影響

不同頻率下的電弧壓力如圖6所示，均表現(xiàn)出中心高邊緣低的規(guī)律。為定量描述最大電弧力與脈沖頻率的關(guān)系，繪制最大電弧力隨電流頻率變化曲線如圖7所示。

圖6 不同脈沖頻率下的電弧壓力變化曲線Fig.6 Arc pressure variation curve at different pulse frequencies

圖7 最大電弧力隨電流頻率變化曲線Fig.7 Maximum arc force variation curve with current frequency

在不同頻段，電弧最大壓力變化顯著程度不同，據(jù)此將測(cè)量結(jié)果分為2～50 Hz、50～5 000 Hz、7 000～15 000 Hz三組進(jìn)行討論。由圖7可以看出，脈沖頻率2～50 Hz時(shí)，電弧壓力最大值穩(wěn)定在80 Pa，說(shuō)明在此頻段改變電流脈沖頻率對(duì)于增大電弧壓力效果不明顯；頻率在5 000 Hz后電弧壓力最大值穩(wěn)定在155 Pa；而頻率在50～5 000 Hz時(shí)，隨著脈沖頻率增大，電弧最大壓力明顯增大，從50 Hz時(shí)的81 Pa增大到5 000 Hz時(shí)的213 Pa，增幅達(dá)到163%，因此，在該頻率段調(diào)整電弧頻率對(duì)于增大電弧壓力具有顯著效果。

對(duì)50～5 000 Hz最大電弧力隨頻率變化曲線進(jìn)行線性擬合，如圖8所示。綜合其他頻段常函數(shù)得到2～15 000 Hz范圍內(nèi)分段函數(shù)關(guān)系為：

圖8 50～5 000 Hz最大電弧力擬合曲線Fig.8 50～5 000 Hz maximum arc force fitting curve

導(dǎo)體中通過(guò)的電流可以看作由無(wú)數(shù)條方向相同的電流線組成，在電流線間產(chǎn)生相互吸引的電磁力，電磁力的方向用右手螺旋法則判斷。由于電弧在鎢極端受到電極尺寸的制約，在工件上則可以自由擴(kuò)展，因此電弧形態(tài)通常情況下呈截面不斷變化的圓錐體，電弧中帶電粒子主要受到電磁收縮力和等離子流力的作用，這兩種力均可分解為沿電弧徑向和電弧軸向方向的作用力，如圖9所示，電弧徑向的作用力主要使電弧發(fā)散程度增大，熔深減小，熔寬增加，電弧挺度減小，而軸向的作用力主要使電弧收縮，熔深增加，電弧挺度增大。

圖9 電弧中帶電粒子受力分析Fig.9 Force analysis diagram of the arc charged particles

徑向電磁力是電弧收縮現(xiàn)象的主要來(lái)源，而電磁衰減系數(shù)用于表征徑向電弧收縮強(qiáng)度，兩者之間成正比關(guān)系［10］，徑向電磁力與電磁衰減系數(shù)函數(shù)為：式中F徑為徑向電磁力；μ為磁導(dǎo)率；I為脈沖電流；r0為固定弧面半徑；R為電弧根半徑；h為常值系數(shù)；f1、f2為徑向電磁力F徑變量替換；Ψ為電磁衰減系數(shù)。

根據(jù)電磁學(xué)基本原理和式（3）、式（4），可以推測(cè)電弧頻率在2～50 Hz時(shí)，由于電弧頻率較低，電弧力波動(dòng)較小呈穩(wěn)態(tài)，電弧最大寬度基本保持不變；在50～5 000 Hz時(shí)，由于電弧頻率增加，電弧力顯著增加打破了穩(wěn)態(tài)，出現(xiàn)電弧收縮效應(yīng)導(dǎo)致電弧寬度減小，其中電弧頻率在5 000 Hz時(shí)，電弧收縮最為明顯，其原因在于此頻率下電弧的磁力衰減系數(shù)較大，電弧收縮強(qiáng)度增強(qiáng)，電弧收縮最為明顯；電弧頻率5000～15 000 Hz時(shí)，電弧寬度趨于穩(wěn)定，其原因在于徑向電磁力隨著頻率的增加而增大，然后緩慢減小，直到電弧處于穩(wěn)態(tài)［12］。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)在50～5 000 Hz范圍內(nèi)調(diào)整頻率來(lái)控制電弧寬度和最大電弧力，達(dá)到控制電弧挺度的目的。

3 結(jié)論

在一定范圍內(nèi)改變鎢極氬弧焊的脈沖電流頻率能夠改變電弧形態(tài)及壓力，從而影響電弧挺度。主要結(jié)論如下：

（1）高頻脈沖鎢極氬弧焊電弧壓力分布呈鐘罩型，在電弧中心的電弧壓力最大，距離電弧中心越遠(yuǎn)壓力越?。?/p>

（2）不同頻段范圍內(nèi)頻率對(duì)電弧的影響效果存在顯著差異。在2～50 Hz和5 000～15 000 Hz范圍內(nèi)，脈沖頻率對(duì)電弧挺度的影響不明顯；而在50～5 000 Hz范圍內(nèi)改變電弧頻率，電弧壓力明顯提高，并且電弧最大寬度和最大電弧壓力均與脈沖電流頻率的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。