穿孔等离子弧焊接中等离子云电流的产生机制及简化模型
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出版日期： 二月 20, 2006
0前言 在直流或交流变极性等离子弧焊接中，小孔的 形成和稳定性对焊接质量和焊接工艺性能有很大的 影响，如果小孔不稳定就使得等离子弧焊不能获得 良好的焊缝成形，大大地限制了等离子弧焊的广泛 应用。目前，国内外学者围绕等离子弧小孔的稳定 性控制做了大量的工作，研究发现等离子弧小孔的 稳定性受到焊接电流、焊接速度和等离子气流量三 个参数的共同影响，并且这三个参数匹配范围很 小
，利用常量参数控制焊接过程也很困难<4>。而 且这些研究多集中在工艺参数研究，缺乏一定的理 论支持。 在等离子弧焊中，当小孔还没有完全穿透母材 时，在焊接反方向有等离子云。当小孔完全穿透工 件后，等离子云消失。等离子云的存在就会有电势 差。如果利用探针和外接负载与工件构成回路，将 等离子云电流向外输出，那么在负载电阻上就会产 生压降。 等离子云电流形成机制 等离子云中的带电粒子来源可以考虑两种物 质:工件金属和焊接喷嘴中喷向熔池的轴向气体。 在工件上方小孔出口处附近，等离子云温度很高， 通常认为处于局部热平衡状态，可以认为其中自由 电子的浓度neo和正离子浓度ni。相等，电子温度与 和正离子温度几相等，即 ne。=ni。(l) 爪。二几(2) 令探针附近电子密度为n。，正离子密度为ni，电子 温度为Te，正离子温度为不，探针前端正对等离子 云的面积为Ap，则在等离子云扩散到探针的瞬间， 到达探针表面的电子流Ie0和离子流Ii。分别为 (3(4 Ie。·专ene。、: :。·音enl。凡、 式中ve—电子平均热运动速率 vi—正离子平均热运动速率 e—电子电量 离子的热运动速率为 一漂 (5) 式中k—波尔兹曼常数 T—粒子温度 m—粒子质量 由于正离子的质量远大于电子的质量，由式(5) 可知电子的热运动速率远远大于正离子的运动速 率，因此，靠近探针附近电子的数量较多，而在工 件附近正离子的数量相对较多，这样在与等离子云 相接触的探针表面必然会积累负电荷，产生负电势。 2006年l月 柴国明等:穿孔等离子弧焊接中等离子云电流的产生机制及简化模型 在这个电场的作用下，必然会吸引正电荷，增加正 离子速率;减小负电荷速率，排斥负电荷碰撞探针 表面。这个过程达到平衡后，探针表面附近正电荷 与负电荷流密度相等，使得在物体表面的电流为零。 同时，探针前端附近的一个小区域内正离子数量高 于电子数量，出现一个正电荷积聚区，这个区域就 是所谓的等离子鞘层卜6>。在鞘层附近的带电粒子运 动达到平衡后，令探针到鞘层边缘的电势差为凡低 为负，即与Ie方向相反)，在电子密度和等离子密度 相等的假设下等离子云是等电位的，这个电势差也 可看作从工件到探针的电势差，在探针和工件之间 外接负载时，负载上会有电流流过，此时，凡会稍 有变化。根据经典的等离子体物理理论<5>，通过鞘 层进入探针的电子流Ie为 在等离子弧焊接中，工件在没有焊透的时候， 在工件表面焊接的反方向，必然存在等离子云(等离 子弧反翘)。在工件完全焊透的情况下，工件正面不 存在等离子云或者电弧反翘的程度很小。把探针放 置在合适的位置，使得当工件没有焊透时，探针在 等离子云中。当小孔形成时，探针不在等离子云中。 这样，当探针在等离子云中，依据鞘层理论，可知 在探针表面将产生等离子鞘层，产生鞘层电压，与 工件表面有电势差;当探针不在等离子云中，依据 鞘层理论，在探针表面没有鞘层，也就没有鞘层电 压，与工件表面的电势差为零。如果在探针和工件 之间外接负载时，负载上会有电流流过，通过检测 负载上是否有电流流过，就可以判断等离子弧焊中 小孔是否形成，还可以通过电流大小来判断熔深。 }叮月} 扮Ie0叫前}(6) 、=专ene。、·exnI豁 (7) 等离子云中的离子流为 、一专enio‘从 (8) 由式(5)一(8)可得 凡 kT， =—In }些} }mi! (9) 2模型验证与分析 设计试验装置及等效电路如图2所示，回路中 串入电流表是为了测量等离子云电流的大小。在探 针与工件之间外接负载Rw时，就会有电流从负载 电阻上流过，但这个电流是很微弱的，加入外加电 源Ew的目的是加速电子扩散速度加大回路电流， 以提高测量的精度。当电流表有电流时，认为小孔 尚未形成;当电流表没有电流时，认为小孔已形成。 一般把探针固定在焊枪上，这样可以实时检测，控 制小孔的形成情况，达到控制焊接过程的目的。 式中m。—电子质量 mi—离子质量 由式(9)可以看出，凡与等离子云的温度T成正 比，而等离子云的温度T是随着焊接规范的变化而 变化的。同时，在不同的焊接条件下，等离子云中 电子、正离子的密度也是各不相同，这样等离子云 的导电情况也就各不相同。因此等离子弧焊焊接过 程中，探针与工件间的等离子云可以近似简化为具 有内阻的电源，而且随着焊接规范的变化，电动势 凡和内阻Rq也会相应地变化。如图1所示，凡为 等效电源的电动势，Rq为等效电阻。 --r }， 图2试验装置与等效电路简图 图1等离子云导电等效电路图 焊接电源采用飞马特的PS一300，焊枪为美国热 动力公司设计的PWM一300。焊接材料为4n止。厚的 SUS304不锈钢钢板。焊接电流为12OA和looA两 种;焊接速度250训耐inin;等离子气流量为2.5L/Ir血， 保护气流量为巧L/min，成分都是氢气;喷嘴到工 件表面的距离是5~，工件没有焊透。用电流表检 测电流。检测电流时，在试验过程中发现，回路中 有电流，并且比较稳定。用鞘层理论能够很好地解 释这一现象。 等离子云电流能否被检测与探针到中心的距 离有关;探针与中心的距离越近，鞘层电压越高， 等离子体电流就越高。若距离太近探针很容易被高 ﹃凤日 尹踌 机械工程学报 第42卷第1期 温融化，若距离太远，就得不到鞘层电压或者鞘层 电压很小，使得无法产生等离子云电流或是等离子 云电流很小而无法测的，所以探针的位置是有一定 范围的。当钨探针倾斜角为450时，由外到内地改 变a点距离工件中心口点距离，测量位置如表1所 示，测量的不同外加电压时等离子云电流结果如表2 所示。当al点坐标为厂10恤，厂10仙，钨探针尖 端烧毁，而在表1中其他位置不熔化，可以认为这一 点钨探针检测处温度已经超过钨的熔点3 668K。 Ew二I(凡十凡)一凡(l0) 将图3中的曲线拟合成直线，由式(l0)可知直 线的斜率为l/(Rq+尺小试验中选取的负载电阻 R沂7.5价，计算得到:焊接电流为12OA;焊接速 度为250ha回min时，等离子云等效电源电压凡和 等效内阻Rq如表3所示。 表3等效电压凡和等效电阻凡 位置 等效电压五勺刃 等效电阻凡邃。 肠韶4420”96 脱161 144127 表1 a1 “2 位置 探针位! 无厄口 到m功 口3 “4 as 1 .13 a6 0.99 表2 等离子云电流 外加电压召认了V ，匹」圈曰— 20 25 30 35 40 45 50 位置 20:0623:94 75.68 563 5.415.174.76 4.48439翻424 那.79茄.19…9674 4 444飞︸飞︸飞︺飞︸ a x 2.50 a22沸3 口3 口4 232 2 .14 3.03 2，91 2石8 2.52 2.45 2 .40 3刀0 4.42 357 4.24 3 .41 406 3 .133，75 2 .95 3.52 2 .89 3.43 284 336 279 331 a7 086 3.15 a.0.75 3.30 综合图3和表3试验数据的计算结果可知:探 针与中心的距离不同，凡和Rq也不相同。随着探针 与中心的距离增加，凡降低和Rq升高，这是因为探 针与中心的距离越远，等离子云的温度越低，由式 (9)可知凡就越低。同时由于等离子云温度T越低， 引起等离子云中带电粒子数量减少，导致等效电阻 Rq升高。 当外加电压小于20V和探针与中心的距离大 于17~时，电流采集的电流信号较微弱，不宜检 测。所以在母材为4r口幻。的SUS304不锈钢时，探 针a与工件0点的距离在n~17 mnl之间最佳。 IJ了D气‘ 0 99 2 11‘月. 口5 “6 口7 即 89 236 3结论 外加电压Ew与等离子云电流I的关系曲线如图 3所示。 一.一al 一.一aZ 一幽一a3 一，-a4 一今一口5 一+一口6 一X一口7 一米一as (l)等离子弧焊接过程中，在没有形成小孔前， 等离子云可以简化为具有内阻的电源，等效内阻与 等效电源电压随着探针与中心的距离大小而变化。 随着探针与中心)的距离的增加，狡降低和凡升高。 (2)对用钨极检测等离子云最佳位置是在探针 距离中心n一17Inm处，此时外加电压要大于20v。 参考文献 图3 30 40 50 外加电压Ew/v 外加电压与等离子云电流的关系 根据图3可得出 <1」HALMOYE，FOSTEVOLL H.NewaPPlicatjonofpl.名田a keyhole weldi鳍〔刀.Welding in the叭!o rld，1994，34(9): 285一291. <2>MARITIKAINEN J K.Plasma嘟keyhole we lding ofhigh- strengths仃ue加ral steels<刀.Intemational Journal for the JoiningofMateriais，1994，6(3):93一99， <3>MARITIKA刀写EN J K.Plasma are keybolewelding ofalu- minum alloys.Welding in tho world
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