宋永倫

(北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，北京100124)

0 前言

電弧是氣體放電的一種形式，以電弧作為焊接熱源在工業(yè)應(yīng)用中已有相當(dāng)長的歷史，從“自由電弧”出現(xiàn)以來（1885年，俄國的Benardos Olszewski的碳極電弧），由于電弧焊接工藝的經(jīng)濟性和應(yīng)用的普適性，對其性能的改善一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)與工程界關(guān)注的熱點，與此同時，電弧的能量傳遞模式亦與弧焊電源性能密切關(guān)聯(lián)。例如，20世紀40年代美國Northrop Grumman公司發(fā)明的鎢極惰性氣體保護焊，以陡降外特性的電源支持了穩(wěn)定的電弧熱過程，在金屬材料熔焊中表現(xiàn)出優(yōu)良的工藝普適性而應(yīng)用至今；在此基礎(chǔ)上發(fā)展的等離子弧[1]，通過水冷壁壓縮通道進一步使電弧能量密度提高到104～105W/cm2量級；20世紀60年代以來的脈沖電弧則是以調(diào)整“源”的輸出形式實現(xiàn)對“弧”性能的控制，賦予“自由電弧”具有新的能量傳遞特性和力特性，達到提高電弧的瞬態(tài)功率密度、改善焊縫熔透與成形的工藝效果[2]。

過去的數(shù)十年，隨著新型電力電子器件和控制技術(shù)的推廣應(yīng)用，使弧焊電源獲得了優(yōu)良動態(tài)特性和數(shù)字化的精量控制特性；然而在提高電弧熱源能量及其工藝效果的控制方面，盡管已提出了“高精度控形”和“低損傷控性”等概念，但如何提升現(xiàn)有電弧熱源的物理特性并使之具有對焊接接頭成形與組織性能調(diào)控的功能還一直在探索與實踐中，對“弧-源”系統(tǒng)的電熱轉(zhuǎn)換方式、電弧能量分布與傳遞機理在認識上仍有待于取得新的突破[3-4]。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界在“電弧能量及其密度的增強”及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域有代表性的成果如表1所示。其工程目標是：改善和提升傳統(tǒng)焊接電弧的“熱、力”物理屬性及其能量的分布，增強焊接電弧的工藝特性。使電弧不僅作為一個熱源，而且能夠優(yōu)化焊縫組織、減少接頭的冶金缺陷，從而使焊接電弧同時具有對焊縫“控形”和“控性”的能力。

從電弧等離子體的物理屬性分析，一種能滿足高效、高品質(zhì)焊接需求的電弧熱源難以再僅僅依靠增大電功率輸入的方式來實現(xiàn)，對電弧能量密度的提升（相對于自由電弧）應(yīng)具有產(chǎn)生較高電離效應(yīng)和較高能量密度的相關(guān)基礎(chǔ)理論的支持；應(yīng)具有與以往單一電極所不同的電弧放電結(jié)構(gòu)；應(yīng)具有與外場能量有效耦合和調(diào)控特性的新技術(shù)內(nèi)涵。

基于以往的研究基礎(chǔ)，本研究擬對電弧能量的耦合、聚集以及效果作進一步的分析，探討電弧的電熱轉(zhuǎn)換模式以及能量提高的機理、高頻能量與電弧的耦合效應(yīng)、動態(tài)電弧的電特性和熱力學(xué)狀態(tài)、“弧-源”系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與傳遞的極限等方面的問題。

表1 對電弧能量增強與性能提高的思路[5-14]

1 高頻耦合脈沖電弧

近年來，利用“高頻效應(yīng)”獲得焊縫晶粒細化、組織均勻、缺陷減少的效果已被廣泛認同，采用耦合型脈沖電流模式（見圖1a）將脈動熱力場、電磁場、超聲振動等多物理量作用于熔池金屬的凝固過程，已成為焊接工藝優(yōu)化中接頭性能控制方法的一個熱點[15-18]。

對高頻耦合脈沖電弧對“熔池-焊縫”的有效作用可從圖2得到驗證。該類電弧提供了一種以高頻振蕩與攪拌熔池金屬的耦合效應(yīng)，一方面抑制了實際過冷度下柱狀晶的生長率，形成了促進新晶體形核及等軸晶生長的條件；另一方面，使熔融金屬內(nèi)氣泡不易長大，顯著加快氣體的上浮和逸出。耦合脈沖電弧的效果在鋁合金焊接接頭中表現(xiàn)得十分顯著（見圖3），已成為一種工藝優(yōu)化、減少缺陷、改善組織和性能的新工藝措施。

在工程意義上，對耦合型脈沖電弧焊接工藝進一步發(fā)展的思考有三個方面：

（1）目前主流通訊電源的開關(guān)頻率已達到GHz級別，但國內(nèi)外較為先進的數(shù)字控制開關(guān)電源的功率器件開關(guān)頻率大多在約100 kHz，考慮到電流脈沖階躍的上升時間，在此開關(guān)頻率下若直接輸出頻率在20 kHz以上的焊接脈沖電流仍然是較為困難的。因此，對焊接電源的結(jié)構(gòu)提出了新的要求。

（2）“弧-源”系統(tǒng)電熱能量轉(zhuǎn)換進入了“極限”狀態(tài)，從電熱轉(zhuǎn)換角度，當(dāng)電源輸出的脈沖電流頻率為20 kHz或以上時，電能量的變化率已接近于電弧內(nèi)電子碰撞能量傳遞與平衡所需時間的數(shù)量級；從實際應(yīng)用的電能傳輸角度，隨著脈沖頻率提高，會受到“弧-源”系統(tǒng)回路和焊接電纜中存在的寄生電感影響。這些都會使耦合型電弧的伏安特性將偏離阻性特征（見圖1b）。

（3）從工藝優(yōu)化角度，目前實現(xiàn)頻率10~40 kHz可調(diào)、高頻脈沖電流20~200 A可調(diào)已能滿足中厚板的焊接參數(shù)選擇，達到改善和提高焊接接頭綜合性能的需求。尤其對高強鋼、高合金鋼、超細晶粒鋼、高強鋁合金以及有色金屬等提供了從“宏觀控形”進入“微觀控形”的焊接新工藝。

圖1 交流脈沖TIG焊耦合電流波形與電弧的伏安特征

圖2 不同脈沖頻率對焊縫顯微組織細化的效果

2 多電極聚集電弧的放電模式

為進一步增強電弧的能量密度，本研究提出了一種多電極并聯(lián)的放電結(jié)構(gòu)，即采用三個互為平行、互為隔離且互為等距的鎢電極組合，分別與弧焊電源連接，當(dāng)脈沖電流同步通過電弧空間時，形成了洛倫茲效應(yīng)導(dǎo)致電弧“自磁收縮”的必要條件，弧柱向三電極的中心線方向聚集緊縮（見圖4）。這種多電極聚集的電弧放電模式，強化了并行電極“通道”間熱電子發(fā)射和氣體的“熱電離”，成為該種電弧結(jié)構(gòu)能量密度提高的又一主導(dǎo)因素。

圖3 耦合型脈沖TIG焊減少氣孔的效果

在研究與應(yīng)用中已得到的結(jié)果表明，該種電弧在電流平均值為180 A時的脈沖峰值時段，電弧中心位置的電子密度已接近1018/cm3。對5 mm高強鋁合金板在焊接速度800 mm/min時一次焊透成形，獲得細小均勻的焊縫及熱影響區(qū)組織（見圖5），在強度與延伸率兩方面都顯著超過傳統(tǒng)熔焊工藝的力學(xué)性能指標，表現(xiàn)出“高能束”的焊接效果。

同樣，對多電極聚集電弧焊接工藝理論與應(yīng)用的思考有：

（1）多電極電弧改變了傳統(tǒng)“單電極”電弧的能量分布尺度、密度及其形式，尤其在窄間隙坡口或中厚板無坡口對接條件下，不僅有利于對熔池成形與熔深的控制；還有利于對熱輸入量的控制。這是對焊接接頭“控形”和“控性”中的一個新的思路。

（2）對多極電?。–-TIG)的“弧-源”系統(tǒng)能量輸出模式與動態(tài)負載的協(xié)同條件的認識，正發(fā)展一種C-TIG+MIG的高能量復(fù)合熱源（見圖6)，有助于厚板打底層的均勻熔透，使MIG焊形成“潛弧”的條件。該種復(fù)合電弧參數(shù)工作窗口大、過程極為平穩(wěn)、熔覆效率很高，適用于高強鋼厚板、管線的高效焊接。

圖4 弧柱向三電極的中心線方向聚集緊縮

圖5 焊縫、熔合線及熱影響區(qū)的組織細且均勻

圖6 多電極TIG與MIG電弧的復(fù)合

（3）同一熔池的多極熱源在能量轉(zhuǎn)換、協(xié)同、時序等穩(wěn)定運行條件，亦成為重新認識“弧-源”關(guān)系的新問題。另外，電弧能量密度及其分布與電弧力之間的關(guān)系、對熔透能力和焊縫截面形狀的影響等，將會有不少新的發(fā)現(xiàn)。

3 結(jié)論

由于焊接接頭組織、性能都與其焊接方法及工藝特性直接相關(guān)，降低熱輸入量、控制焊縫組織與熱影響區(qū)的尺寸、減少焊縫內(nèi)的冶金損傷與應(yīng)力水平等已成為精量化焊接制造的共識。

本研究實現(xiàn)的高頻耦合脈沖電弧，使電弧不僅是作為一個熱源，而且具有控制焊縫成形、優(yōu)化焊縫組織、減除缺陷的“控形”和“控性”能力。

本研究提出的多電極聚集電弧模式是一種基于“自磁收縮”“熱電離”和“動態(tài)熱力”等多場物理效應(yīng)對電弧能量的復(fù)合與性能的強化，實現(xiàn)了對現(xiàn)有焊接電弧在工藝和效率兩方面的提升。

本研究對傳統(tǒng)的焊接電弧在能量和屬性的兩方面都將得到了拓寬，為挖掘電弧這一極為普適的工業(yè)熱源的潛在能力提供理論與應(yīng)用的基礎(chǔ)。

[1]Ghorui S.Origin of fluctuations in atmospheric pressure arc plasma devices[J].PHYSICAL REVIEW E，2004(69)：1-7.

[2]Kumar A.Effect of welding parameters on mechanical properties and optimization of pulsed TIG welding of Al-Mg-Si alloy[J].Int J Adv Manuf Technol，2009(42)：118-125.

[3]GOYAL V K.Process-Controlled Microstructure and Cast Morphology of Dendrite in Pulsed-Current Gas-Metal Arc Weld Deposits of Aluminum and Al-Mg Alloy[J].METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A，2007，38A(8)：1794-1805.

[4]Traidia A.Optimal parameters for pulsed gas tungsten arc welding in partially and fully penetrated weld pools[J].International Journal of Thermal Sciences，2010(49)：1197-1208.

[5]Niagaj J.Use of A-TIG method for welding of titanium，nickel，their alloys and austenitic steels[J].Welding International，2006，20(7)：516-520.

[6]Berthier A.Physical and chemical mechanisms occuring during A-TIG welding：comparison between experimental investigations and simulations[J].Materials Science Forum，2009(638-642)：4，3643-8.

[7]Xuesong Leng.The characteristic of twin-electrode TIG coupling arc pressure[J].J.Phys.D：Appl.Phys.，2006(39)：1120-1126.

[8]An L T.Electric Characteristics of Plasma Arc Produced by Bi-Anode Torch[J].Journal of Thermal Spray Technology，2010，19(1-2)：459-464.

[9]Lathabai S.Keyhole gas tungsten arc welding of commercially pure zirconium[J].Science and Technology of Welding and Joining，2008，13(6)：573-581.

[10]Zeng X M.Welding with high-frequency square-wave AC arcs[J].IEE Proceedings，1990，(137A)：193-198.

[11]吳敏生，張春雷，段向陽.電弧超聲的頻率響應(yīng)特性及其諧振機理[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1999，39(11)：97-99.

[12]Taihei Matsumoto，Hidetoshi Fujii，Kouki Kitamura.Development of Supersonic wave TIG welding method[J].IIWDoc，2006，XII-1908-06，SG-212-1098-06.

[13]邱 靈，范成磊，林三寶，等.高頻脈沖變極性焊接電源及電弧壓力分析[J].焊接學(xué)報，2007，28(11)：81-84.

[14]齊鉑金，許海鷹，黃松濤，等.超音頻脈沖TIG焊電源拓撲及電弧焊適用性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，35(1)：61-64.

[15]齊鉑金，許海鷹，張 偉.0Cr18Ni9Ti超音頻脈沖TIG焊接頭組織與性能[J].北京航空航天大學(xué)，2009，35(2)：132-136.

[16]牛 永.小電流脈沖TIG弧的高頻特征[D].天津：天津大學(xué)，2010.

[17]Si Bo Yan，Yong Lun Song，Zhang Jun，et al.The High Frequency Pulse Effect and Verification in the Welding Process for High-Strength Aluminum Alloy[J].Applied Mechanics and Materials，2012(130-134)：27-31

[18]閆思博，宋永倫，張萬春，等.數(shù)字控制復(fù)合型高頻脈沖TIG 焊接系統(tǒng)及其工藝特性[J].焊接學(xué)報，2011，32（7）：71-74.