（材料加工工程专业论文）等离子弧焊接熔透控制信息检测与分析.pdf

摘要摘要根据几十年焊接研究人员的宝贵成果和经验，在穿孔型等离子弧焊接过程r 1 1 ，小孔的稳定性是影响小孔型等离子弧焊接过程稳定性及接头质量的重要因素，是影响该焊接方法应用的瓶颈。因此，在d , t l 等离子弧焊接中，检测小孔状态并对其进行实时控制，从而提高焊接质量是该领域研究的前沿。本文就穿孔型等离子弧焊接过程进行了高速摄影，在视觉上直观地看到了等离子弧反翘和小孔的变化情况。并对等离子弧反翘产生的力学机理、等离子弧反翘的变化规律作了分析，从而得出等离子弧反翘可以作为等离了弧焊接熔透信息的特征量的结论。为了能够更有效地对等离子弧焊接进行检测和熔透控制，本文提出了一种新的而且实用性强的无源探针等离子弧反翘检测方法与装置，并自行设计等离子弧反翘的动态扫描装置，确定无源探针检测等离子弧反翘的最传探针摆放位置，为准确、有效检测等离子弧反翘提供了方法上的保证。在合理焊接工艺参数正常焊接过程中，d , t l 变化具有同周期变化的规律。在本试验条件f ，小孔形成的周期是l o m s ，相应的等离子弧反翘电压检测波形也是周期性变化，其周期也是l o m s ，而且其峰值电压时间为4 m s ，基值时间为6 m s 。因此，检测电压的周期、峰值时间、基值时间都可以作为d t l 信号的特征值用十等离子弧d t l 焊接熔透控制。最后分别从稳定焊接过程中的等离子弧反翘的波形、受到干扰的焊接过程中的等离子弧反翘的波形两个方面，对等离子弧反翘的电压信号进行实时采集和分析。实验证明，此方法在等离子弧焊检测和熔透控制上简单、准确、有效。关键词：等离予弧焊：小孔；等离子弧反翘；熔透控制；信息检测a b s t r a c t_ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ ，_ h _ - _ 一a b s t r a c ta c c o r d i n gt ov a l u a b l ea c h i e v e m e n t sa n de x p e r i e n c e sf o rm a n yy e a r s ，t h es t a b i l i t yo ft h ek e y h o l ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h ew e l d i n gs t a b i l i t ya n dj o i n tq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h ec o n t r o lo ft h ek e y h o l ei nr e a l t i m ec a nb eg o t t e nb ym e a n so fd e t e c t i n gt h es t a t eo ft h ek e y h o l ed u r i n gk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g ，i ti sas h o r tc u tt oi m p r o v et h ew e l d i n gq u a l i t yi nt h er e s e a r c hf i e l do f p l a s m aa r cw e l d i n gt h ep a p e rd i dp h o t o g r a p ht ok e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g ，w ec a ne a s i l ys e et h ec h a n g es t a t eb e t w e e nt h ep l a s m ac l o u da n dk e y h o l ei na d d i t i o n w ed r a wac o n c l u s i o nt h a tp l a s m ac l o u di st h ef e a t u r eo ft h ek e y h o l eb yt h ea n a l y s i st ot h em e c h a n i c so ff o r m i n gp l a s m ac l o u da n dt h ec h a n g er u l eo fp l a s m ac l o u d i no r d e rt oc o n t r o lt h ep e n e t r a t i o no fp l a s m aa r cw e l d i n ge f f e c t i v e l y ，t h i sp a p e rh a sp r o v i d e dan e wm e t h o do fd e t e c t i n gp l a s m ac l o u dw i t h o u tp o w e ra sw e l la sc o r r e s p o n d i n gd e v i c ead y n a m i cs c a n n i n gm a c h i n ei sd e s i g n e dt of i n dt h eo p t i m a lp o s i t i o no fd e t e c t i n gp l a s m ac l o u d ，w h i c he n s u r e sd e t e c t i n gp l a s m ac l o u de f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y t h ec h a n g eo fk e y h o l eh a sp e r i o d i cl a w , a n dt h ep e r i o di s10 m si nt h el e s tc o n d i t i o n ，c o r r e s p o n d i n gc h a n g eo ft h ep l a s m ac l o u di st h es a m et h ep e a kt i m ei s4 m s ，a n dt h eb a c k h a n dt i m ei s6 m s t h e r e f o r e ，t h ep e r i o d ，t h ep e a kt i m e ，a n dt h eb a c k h a n dt i m ea r ea l lt h ec h a r a c t e ro ft h ek e y h o l ei nt h ep e n e t r a t i o nc o n t r o lo fp l a s m aa r c a tl a s t ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ed e t e c ta n dp e n e t r a t i o nc o n t r o lo fp l a s m aa r cw e l d i n gb ya c q u i r i n gv o l t a g es i g n a lo fp l a s m ac l o u d ，a n dt h er e a l i t ym u s tb eo i lt h eb a s i so f t w ov o l t a g e s ，o n ei si ns t a b l ew e l d i n gp r o c e s s ，t h eo t h e ri si nu n s t a b l ew e l d i n gp r o c e s s i ti sv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l yt h a tt h en e wm e t h o di ss a m p l e ，a c c u r a t ea n de f f e c t i v ei nt h ep e n e t r a t i o nc o n t r o lo fp l a s m aa r cw e l d i n g k e y w o r d s ：p l a s m aa r cw e l d i n g ；k e y h o l e ；p l a s m ac l o u d ；p e n e t r a t i o nc o n t r of e a t u r ed e t e c t i n g独创性声明本人声明所呈交的学位论义是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也坷i 包含为获得墨盗盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：现辞务签字h 期：知批年2 月_ h学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁盗筮堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名瓢j 榜导师签名损锨签字同期：抽p 年上月，fh签字| i 二| 期：弘口绛土月乃h第一章绪论1 1 研究背景及意义第一章绪论自从b m r b o n 在1 9 5 0 年发明等离子弧焊接方法以来1 1 i ，已经过了5 0 年。在6 0 年代，采用等离子弧焊接火箭壳体以前，等离子弧焊技术并不引人注意。6 0 年代术，随着其在航天工业领域中的应用，等离子弧焊设备才有了销路，等离子弧焊技术的研究也由此取得了氏足的进展。焊接工作者从小孔成形焊接工艺入手便开始了等离子弧焊研究。根据焊缝形成原理，等离子弧焊接可分为小孔型和熔融型两种焊接方法。焊接过程中，仅工件熔透，不产生小i l 效应的等离子孤焊方法称为熔融型焊接法。熔融法焊缝成形原理与氩弧焊类似主要用于薄板焊接及厚板多层焊。利用小孔效应实现等离子弧焊的方法称为小孔等离子弧焊，亦称穿f l 型焊接法【2 1 。小孔型等离子弧焊接方法具有热能量集中和焊缝深宽比大，弧态近似于圆柱形，挺度好，气流可达很高的速度，可以在中厚管或板材料焊接时实现一次焊透，单面焊双面成形等特点，因此，该方法自问世以来，就一直受到人们的重视。与其它高能束流焊接方法( 如电子束焊和激光焊) 相比，具有设备简单、成本低以及效率高的优势。由于d , a ：l 型等离子弧焊接中获得稳定的焊接质量的规范参数的选择范围窄，影响电弧稳定性的因素较多，参数调节和控制比较困难，因此它的应用一直受到限制。根据几十年焊接研究人员的宝贵成果和经验，在穿孔型等离子弧焊接过程中，小孔的稳定性是影响小孔型等离子弧焊接过程稳定性及接头质量的重要因素口】，是影响该焊接方法应用的瓶颈。由此可见，开展等离子弧焊接熔透控制信息检测方法的研究对等离子弧焊接在汽车、造船、航空航天工业中的应用具有十分重要的意义。1 2 穿子l 型等离子弧焊接存在的问题与其他焊接方法相比，穿孔型等离子弧焊有如下特点：首先，焊接町变参数多，规范区间窄：其次，焊接时电流较大，喷嘴寿命短；第三，厚板焊接时，对操作者的技术水平要求较高，并且小孔法仅限于自动焊接：第四，大多数小孔焊工艺仍限于平焊位置。上述特点使穿孔型等离子弧焊接存在很多l u题，这严重限制r 穿孔型等离子弧焊接j - z 在些重要场合和大批量自动化，-产中的应用。蔓二童堑堡一_ 一一正面f r o n t背面b a c k图l 一1 焊缝明显刁i 均匀( 材料1 c r l 8 n i 9 t i )n gl 一1a s y m m e t r yo f w e l d e ds e a m ( 1 c r l g n i 9 t i )正面背面f r o n tb a c k图1 2 小孔直径小，甚至没有形成小孔( 材料1 c r l8 n i 9 t i )n g 1 2s m a l ld i a m e t e rk e y h o l eo rn o n k e y h o l e ( 1 c r l 8 n i 9 t i )正面背面f r o n tb a c k图1 3 熔池坠落( 材料4 5 “钢)堍1 3m o l t e np o o lf a l l i n g ( 4 5 4 s t e e l )正面背面f r o n tb a c k图1 - 4 咬肉( 材料i c r l 8 n i 9 t i )n g1 4u n d e r c u t ( 1c r l8 n i 9 t i )从图卜l 、图l 一2 、图1 3 、图l 一4 中可以看出，穿孔型等离子弧焊接所存在的问题主要是焊缝不均匀、d , t l 直径小或没有形成d , t l 、熔池不稳定、咬肉等质量问题。1 焊缝明显不均匀在穿孔型等离子弧焊接过程中，由于等离了弧的能量密度状态会受到气体成份、电极状态、焊接材料等多种因素的影响，尤其是焊接现场的干扰列等离子弧的稳定性影响极大。如图l i 所示，当处于焊接过程良好状态，焊缝两湍的焊接质量很好，但是由于焊接现场的各种环境条件的影响，中间的焊缝处于未熔透状态，也即没有形成小孔，焊接质量不能很好的保证。2 小孔直径小或没有形成小7 l由于等离子弧焊接规范区间很窄，对各种参数的可调范罔要求很严，焊接电流的焚化则更是如此。如图1 2 所示，等离子弧没有穿透工件，没有形成小第一章绪论孔，焊缝比较窄( 1 m m ) 。这种情况是由于热输入不够或者是电弧力不够造成的。3 熔池坠落如图l 一3 所示，造成这种情况，比较典型的原因就是焊接电流过火， i l l过大( 直径4 r a m ) ，熔池坠落，当然，离子气流量的作用也是不可忽视的。4 咬肉等离子弧由于能量密度高，沿熔池未熔化母材的温度梯度远比钨极自由弧焊接时大，加上不锈钢的表面张力大，使熔池金属液体的内聚力大于其与未熔母村的附着力，于是形成中间凸起、两侧咬肉的焊缝。如图1 4 所示，咬肉的形成与电弧电压、焊接速度、离子气流量、钨极对中精度、工件的错边量等有关。电弧电压高、焊接速度快、离子气流量过大均易产生两侧咬肉。由于小孔型等离子弧焊接的各参数合理匹配的区间很窄，在焊接过程中很容易受到各种干扰的影响。因此，仅仅依靠焊接工艺参数的选择与匹配很难满足实际工程堆焊接质量稳定的要求，所以在等离子弧焊接过程中采用熔透控制是非常必要的。穿孔型等离子弧焊与其它电弧焊接工艺相比，能获得更好的熔透【4 1 。由于穿孔等离子弧焊接小孔与熔透密切相关，所以等离子弧焊小孔的控制成为关键。要想对小孔进行控制，获得更好的熔透，从而获得满意的焊接质量，首先要对小孔进行实时有效的检测，再根据检测的信息，进行分析抽取，进而实行自适应控制，保证焊接过程稳定，从而获得优异的焊接质量。1 3 国内外研究现状由于小孔的稳定性是影响小孔型等离子弧焊接过程稳定性及接头质量的重要因素，因此在等离子弧焊接过程中，小孔的工艺稳定性和熔透控制一直是国内外焊接工作者致力解决的主要问题。如何获取可以反映工件熔透状态、表征熔池d , 4 l 特征行为信息，进而对焊接过程进行闭环实时控制成为等离子弧焊接研究的前沿课题陋6 j 。目前，国内外在表征小孔等离子弧焊接熔透情况传感信号的研究主要集中在正面检测和背面检测两个方面。131 背面熔池的传感行为背面熔池传感主要有以下几种方法1 尾焰导电法第一章绪论早在2 0 世纪7 0 年代，美国的h d s t e f f e n s 等就进行小孔尾焰电压与小j l t ：f 为的研究。所谓小孔尾焰电压法，即尾焰导电法，就是在焊接j 件背面，利用一专用的测量板和测量电路对等离子弧焊接中小孔形成时，等离子焰穿过工件形成的尾焰进行测量，完成对焊接过程的控制 j i 。尾焰电压检测装置示意图如图l 一5 所示。通过研究发现，小孔尾焰电压与小孔直径之问存在线性关系，从而找到一种通过调节焊接电流来保持d , 4 l 尾焰电压恒定，由此控制小孔等离子弧焊接过程中小i l 尺寸恒定的控制方法隅j 。焊接电掘图卜5 掇测小f l 信息电路6 91 - 5c i r c u i ta r r a n g e m e n tf o ri n d i c a t i n gi n f o r m a t i o nf o rk e y h o l e2 尾焰光电法英国的j c m e t c a l f e l 9 1 等在d , - y l 等离子弧接过程中利用光敏元件检测弧光强度，发现在小孔穿透与闭合时，背面弧光强度有明显变化，并在此基础上完成了等离子弧焊接过程中d , 4 l 熔透情况闭环控制。3 ，声音传感声音是一种机械波，焊接过程中熔池的振动，等离子气流的脉动都会以声波的形式表现出来 1 0 - 1 2 1 。我国郑州机械研究所的胡百喜等在小孔型等离子弧焊接管道时，在工件背面放置麦克风，对焊接过程中的声信号进行检测研究。研究结果表明，当电弧穿透工件时产生3 0 0 h z 脉动音频信号。由此提出，通过检测等离子弧焊接中是否产生了频率为3 0 0 h z 音频信号，就可以判断工件是否熔透t 从而实现利用声音信号控制焊接质量的月的 ”i 。图1 6 为陔焊接系统的了j框图。第一章绪论图1 6 系统方框图f i g 1 - 6s y s t e mb l o c kd i a g r a m13 2 正面熔池的传感行为正面熔池传感有以下几种方法i 焊炬2 离f 气流蛙检测3 气源4伺服闽5 伺服电机拖动电路6 模拟运算器7 焊接i u 源8 脉冲发生器9整形1 0 选频放人白动增茄控制l l小孔信号白动记录1 2 声能转换器i w e l d i n gt o i - c h2p l a s m af l o wm e a s u r e m e n t3a irs u p p l y4s e r v ov a 】v e5s e r v o a c t t 】a t o rc i r c u i t6a n a l o g u eo p e r a t i o r a 】u n i t7 w e l d i n gp o w e r8p u ls em a c h i l e9t r i m1 0f r e q u e n c ys e l e c t i n ga m pl i f ie r1 1k e y h o l ea u t o m a t i cr e c o r d i n gi 2 s o u n dt r a n s d u j c e r1 正面弧光检测美国马歇尔宇航中心的l f m a r t i n e z 等在铝合会小孔等离子弧焊接过程中，采用台光谱仪实时检测焊缝正面的弧光，发现在小孔形成前后，氢( 6 5 6n l t l ) 谱线强度与氩( 6 9 6r i m ) 谱线强度值之比会发生显著f 降，从而提出一种从难面通过光谱仪检测小孔生成和闭合的方法 “1 。谱线辐射强度和谱段的积分辐射强度产生了形似于负脉冲信号的跃变，而且小孔形成酊，弧光辐射强度降到最低值，这对于预1 1 4 , 孑l 的形成是极为有利的。我国北京航空工艺研究所的董春林等对熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。出于各种原子在电弧光谱中不是一个稳定的成分”i ，所以在小孔形成前，弧光辐射强度降到最低点时刻与稳定形成小孔时刻相比较有一定的超前量，这对于预测小孔的形成是极为有利的；小孔闭合时弧光辐射强度降到最低值时刻要滞后于实际小孔闭合时刻，但是在, j , 4 l 闭合前，弧光辐射强度的大幅度衰减也是d , t l e b 将闭合极佳的预测信号。图1 7 为该检测系统的框图。第一章绪论图1 7 焊接规范参数与电弧光谱同步检测试验系统框图u e ：尾焰电压u w ：焊接电压i ：焊接电流1 等离子弧焊设备2 霍尔电流传感器3 霍尔电压传感器f i g i 一7s y n cd e t e c t i n gs y s t e mb l o c kd i a g r a mo f t h ew e l d i n gp a r a m e t e ra n da r cs p e c t r u mu e ：e f n u xp l a s m av o l t a g eu w ：w e l d i n gv o l t a g ei ：w e l d i n gc u r r e n t1p l a s m aa r cw e l d i n gd e v i c e2c u r r e n ts e n s i n gd e v i c e3v o l t a g es e n s i n gd e v i c e2 正面图象检测我国哈尔滨工业大学的王慧钧等，在等离子焊接铝合余时，采用窄带复合滤光器，c c d 摄像机进行小孑l 熔池正面图象检测，并采用高斯滤波、p r e w i t t 边缘检测和图象错位边缘检测等方法提取出可视小孔熔池的小孔宽度和面积等几何信息【1 8 - 2 0 1 。该系统框图如图l 培所示，这种方法的传感信息检测系统较昂贵而且复杂，信息处理采用了计算机系统，处理很复杂，时间响应慢。焊接工件图1 8 图象传感系统框图f i g 1 - 8p i c t u r es e n s o rs y s t e mb l o c kd i a g r a m第一章绪论3 正面声音传感清华大学试王耀文等，在焊缝诈面通过高精度麦克风及信号采集系统对等离子弧焊接过程中，小孔效应时的声音信号进行时域、频域分析，从而找出小孔效应存在与否的特征值，进而实施熔透控制【1 ，其试验系统框图如图1 9 所不4川瘴喜臼琳目乍g图1 9 试验系统刁i 意图f i 兽19t e s ts y s t e mb l o c kd i a g r a m尽管这些研究都具有一定的特色并取得了一些研究成果，但是，这些方法的传感信息检测系统往往比较复杂，甚至非常庞大；信息处理都采用了计算机系统，信息处理复杂；而且光学、声学信号检测、传输系统很容易受到焊接环境恶劣引起的干扰影响，因此，在低成本自动化的实际应用中同样受到限制。现在一种新型的传感方法正备受国内外焊接研究人员的关注，那就是等离子弧反翘传感4 等离子弧反翘传感所谓等离予弧反翘，就是在穿孔型等离子弧焊接过程中，由于等离子弧的能量集中，能量密度大，可达1 0 5 一1 0 6 w c m 2 【2 2 】，温度高，焰流速度大，在一定电流密度等离子弧焊接时，等离子弧与会属作用区内，金属蒸发极为剧烈，形成的高温金属蒸气和焊接保护气体在电弧作用下发生离解，当焊接小孔未形成时，在工件的e 方( 与焊接方向相反) 出现一个自熔池射出的一个小弧，其形状就象一个翅膀，因此，称它为等离子弧反翘也有人称它为等离子云。这一等离子弧反翘在等离子电弧完全穿透的条件下会明显降低，其倾角也变小，随着穿孔深度的不断增大，其等离子弧反翘变得越来越弱。当“小孔达到一定程度时，反射的等离子弧反翘完全消失，因此通过检测等离子弧反翘形态可以判断d , t l 的形态。等离子弧反翘导电法是利用等离子体导电性，将放置等离子弧反翘中的f 乜子探针和一些电子器件构成一个电子检测电路，通过检测电路中给定电j 玑j ：的几unu咀口第一章绪论电压信号的变化来检测小孔的状态【l “。在没有形成完全穿透d , t k 的时候，等离子弧反翘强烈，由等离子弧反翘构成的那段电路的等价电阻较小，所以传感器的输出信号( 即检测电阻上的电压降) 较大，见图1 一1 0 a 。当穿透小孔形成以后，等离子弧反翘变弱了，等离子弧反翘中自由电子数目少等价电阻变得很大，所以传感器的输出信号几乎降低到零，见图i l o b 。所以，传感器的输出信号可用来准确的反映d , t l 的状态。电路中的元件必须对光和热的辐射不敏感。但由于等离子弧反翘温度较高，易烧损检测探针，所以般用熔点较高的钨棒作为探针材料，而且必须把探针放在合适的位置上。焊接方向 一等离子弧焊枪耒穿透小孔( a )( b )图l 一1 0 等离子弧反翘电荷传感器中的检测示意吲( a ) 未穿孔情况( b ) 全熔透情况f i g1 10as c h e m a t i cv i e wo fm e a s u r e m e n tu s i n gp c c s( a ) a nu n p e n e t r a t e dk e y h o l e ( b ) af u l l yp e n e t r a t e dk e y h o l e第一章绪论由于该检测系统只是将等离子弧反翘作为电路的一个开关，其变化是阶跃的，而不能反映熔池熔深连续变化的情况。在有源探检测等离子弧反翘的基础上，天津大学易小林【z 副提出了种无源探针检测等离子弧反翘的方法，其检测装置原理图如图l 一1 l 所示。该方法不仅可以检测等离子弧反翘的有无，以此来判断等离子弧焊接熔透前的小孔形态一图1 - 11 检测等离子弧反翘的模型f i g 1 11t h em o d e lo fp r o b i n gp l a s m ac l o u d过程中小孔是否形成，而且可以检测等离子弧反翘的角度来判断等离子弧焊接的熔深。文献 2 3 不仅对该方法进行了介绍，而且对有源探针、无源探针检测等离子弧反翘的原理进行了初步分析，提出了“鞘层”理论的分析方法，但是该机理研究只是初步的讨论，还有待于进行分析。由此可见，探针法检测等离子弧反翘可以对等离子弧小孔形态进行判断，进而进行等离子弧熔深控制。但是该方法是一种新的熔透控制检测方法，其检测机理、检测信号与小孔信息之间的关系以及熔透检测规律还有进一步探讨和分析。14 本论文的研究内容与目的综上所述，在穿孔型等离子弧焊接过程中，焊接质量不稳定、焊缝成型玎：好、焊接过程重现性差等问题影响了等离子弧焊接的推广应用。焊接过程中的小孔行为的状态又是导致这些问题的直接或间接的主要原因之一，可以说小孔的行为问题是影响穿孔型等离子弧焊接质量的一个关键问题，而对小孔行为的实时检测也即成为该关键的首要。由此可见，要研究穿孔型等离子弧焊接质量问题首先就要研究小孔行为的实时检测方法。本文拟从, i , t t t ? 为的实时检测问题入手，以解决穿孔型等离子弧焊接中的熔透控制也即焊接质量为目的，进行以下三方面的研究：等离子弧反翘形态与小孔行为之间的关系；等离子弧反翘和探针检测原理：探针检测与熔透控制之间的关系。希望通过以上三方面的研究弄清楚穿孑l 型等离子弧焊接过程中出现的等离子弧反翘的变化规律以及它与熔池小孔之间相应的关系，建立起无源探针检测等离子弧反翘的检测原理和相应的检测方法，设计相应的等离子弧反翘的检测装置，找出将检测到实时反映等离子弧反翘的电压信弓进行数字化处理用于熔透控制。第：章等离子弧反翘形态与小孔行为之间的芙系第二章等离子弧反翘形态与小子l 行为之间的关系在穿孔型等离子弧焊接过程中，熔池小孔的“形成一闭合一形成”过程非常快，利用f a s t c a ms u p e r 珊力珊f 高速摄影仪能够清楚地了解穿孔型等离子弧焊接过程。本章的任务就是首先分析等离子弧的特征；其次通过对穿孔型等离子弧焊接过程的高速摄影照片进行分析，从而弄清等离子弧反翘形态与小孔行为之问的关系，给出等离子弧反翘、熔池小孔、等离子弧尾焰同时变化的规律；此外要从理论上弄清等离子弧反翘的形成机理。21 等离子弧的特征211 等离子弧的电弧本质等离子体是由大量的自由电子和离子组成、且在整体上表现为准中性的电离气体。它与大家熟悉的物质三态( 固态、液态和气态)+ 样，是物质存在的又一种聚集态，所以人们又把等离子体称为物质第四态，或称为等离子态。等离子弧是一种特殊形式的电弧。它是借助于等离子弧焊枪的喷嘴等外部拘束条件使电孤受到压缩，弧柱横截面受到限制，使弧柱的温度、能量密度得到提高，气体介质的电离更加充分，等离子流速也显著增大。这种将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离密度及高能量密度的电弧就是等离子弧。一般说来，等离子弧的产生涉及到许多经典的气体放电的理论、原了微观过程及表面效应。在氩等离子弧焊接中的等离子弧是以气体放电为基础，由气体放电产生的电弧等离子体，其电流密度大，温度高( 相对于金属材料的熔点来说是高温，但这种电弧仍属于低温等离子体) 。气体放电可分为自持放电和非自持放电两种。非自持放电是靠外界电离因素的作用使气体电离而产生放电的，当消除外界电离因素后，则放电就停止。与非自持放电的情况相反，自持放电能持续进行，因此，利用气体放电产生等离子体时，普遍采用气体自持放电过程，如火花放电，电弧放电和辉光放电等。在焊接电弧引燃时往往在 一件与焊枪两极f j j d l l 上定的电压，当电压足够火时，致使电子在电场力的作用下，能获得一定的动能，作为入射粒子，在与第二章等离子弧反翘形态与小孔行为之问的关系原子碰撞中足以使中性原子电离，而发射出新的电子( 次级电离) ，以后入射电子和次级电子在电场作用下一起加速，产生新的碰撞电离，使电子雪崩式的增加，当电流增加到某一数值之后，电压突然变得很小，直到电压不再随电流改变，这时气体进入电弧放电状态，其伏安特性曲线具有负的斜率，电流增加，导致电离度( 等离子体密度) 急剧增加。此后，若再增加电压，气体完全电离，电流与电压的关系近似服从欧姆定律肛。在氩等离子弧焊接中，等离子弧是在钨极和工件之间产生的电弧，在机械压缩效应、冷壁压缩和电磁压缩效应作用f ，形成一个电流密度大、气体产生电离、温度高、能量集中、稳定性好的等离子体。2 12 等离子弧的特征参数等离子弧是由带电粒子组成，等离子弧反翘也是由带电粒了组成，要确切了解等离子弧反翘的性质，必须研究等离子体粒子的密度、等离子体的电离度、等离子体的导电性、等离子弧的温度。1 等离子体粒子密度等离子体中粒子密度表示单位体积( 每立方米) 中所含粒子数的多少。一般用d i 表示离子密度、1 1 c 表示电子密度、n o 表示中性粒子密度。从粒子密度，估舅出粒子间的平均距离。设= n ，+ ”。( 2 1 )显然n 即为等离子体中带电粒子的总和。把等离了体中个单位体积被分成n 个小立方体，则每个小立方体中平均有一个带电粒子，而小立方体的体积为1 n ，所以，每个粒子问的平均距离d 可以表示如下：id = n3( 2 - - 2 )应该看到，组成等离子体的带电粒子间存在库仑力的相互作用。由于库仑力的长程性，可知每一个等离子体粒子与大量其它粒子同时相互作用，这实际上变成一个多体相互作用问题。可是当讨论等离子体平衡性质时，常常简化，把等离子体当作理想气体来处理。其近似处理的物理本质是：认为带电粒了的库仑相互作用势能远远小于热运动的动能：? 二 f 。( 2 8 )f 。十f 。f 。( 2 ，9 )式中，f 。，为形成一定直径小孔的电弧l i i 力。232 等离子弧反翘形成机理等离子弧是一种特殊形式的电弧，它是借助于等离子弧焊枪的喷嘴等外部拘束条件使电弧受到压缩，弧柱横截面受到限制，使弧枉的温度、能量密度得到提高，气体介质的电离更加充分，等离子流速也显著增大，这种将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧就是等离子弧。等离子弧速度是指从焊枪喷嘴中喷射出的高温度、高速度的等离子焰流速度。氪等离子弧由中性原子、自由电子和氲离子组成，带电粒子在等离子弧中占的比例很小，在宏观上，可以把带电粒子运动忽略不计，等离子弧速度足中性氩原子从等离子弧焊枪的喷射速度。由质量的连续性【2 9 , 3 0 1 可知，在小孔没有完全穿透工件时，流入与流出熔池上表面的等离子流的质量相等。对运动中的熔池上表面来况，由于等离子束是以很高的速度射向熔池上表面，所以熔池下表面不受等离子束的影响。假设不计金属蒸气的影响，质量连续方程【2 8 】是：风v o2 p iv 1( 2 1 0 )其中：风、v 。是流入熔池卜表面的等离子体的密度和速度：n 、v 是流：上j 熔池上表面的等离子体的密度和速度。因此，由质量j 。迪定律，等离子束必然是从未穿透熔池上表面的另。端流出，形成等离子弧反翘。熔池表面的不对称性，第一章笛离子弧反翘形态与小孔行为之间的芙系使得等离子束沿着熔池表面从焊接速度的反方向喷射出，其基本原理如图26所示。在图2 6 b 中直线1 是等离子束的中心线，直线2 过熔池表面的最低点。以直线2 为分界线，把等离予束分为a ，b 两个部分。以靠近熔池表面厚度为d z 的等离子体为参照物。如图2 6 c 和图2 6 d 所示，两个参照物都受到熔池重力f 。，、等离子弧压力f p 和表面张力f s 的作用，但是作用在a 上的合力明显大于作用在b 上的合力，这样在切线方向上有一个与焊接速度相反的推力( 搅拌力) 使得等离予束在此推力的作用下，沿着焊接速度反方向的熔池切线方向喷射，这就解释了为什么等离子弧反翘产生在焊接速度的反方向。当等离子束越过最大切线角度的熔池切线时，熔池表面的拘束消失了，只能在推力( 沿着最大切线角度的熔池切线方向) 的作用下喷射。也就是在等离子焰流冲击力和表面张力的共同作用下，使得等离子焰流沿着熔池面上翻，最后，从焊接反方向沿着最大切线角喷射而出。z ，竺苎要竺，r i风莎昏2 峨4 琵图2 6 工件未熔透时等离子弧冲击熔池液面作用力方向示意图( a ) 焊接时熔池形状示意图( b ) 放大后的弧坑底部示意图( c ) a 点受力图( d )b 点受力图f i g 2 6p l a s m aa r ci m p l u s i o nm o l t e np o o lf o r c ei nn o n - p e n e t r a t i o nk e y h o l e( a ) m o l t e np o o lf o r m( b ) m o l t e np o o lb o t t o mu n d e rm a g n i f i c a t i o n( c ) f o r c ef i g u r ea tp o i n ta( d ) f o r c ef i g u r ea tp o i n tb从上述可知，等离子弧反翘的方向与熔池表面形状有很人关系。由于熔池的不规则性，使得等离子弧反翘的形状不规则，但是其喷射速度最大位置可由其熔池液面的最大切线表示，即：等离子弧反翘是由于在熔池上表面的等离了体沿最大切线处喷射之后形成的。当工件完全熔透小孔形成时，完全穿透小孔的质垦连续方程f 2 2 】为：p o v o = p f v 1 + p 2 v 2( 2 11 )第一章等离子弧反翘形态与小孔行为之问的芙系其中：p lvl 是从焊件背面流出等离子体的密度和速度；z 、vz 是从焊接反方向流出等离子体的密度和速度。由于小孔的形成，等离子弧的一部分形成等离子弧尾焰。随着小孔直径变犬，等离子体从焊件背面喷射出的越多，而从焊接速度反方向流出的越少，即等离子弧反翘也越弱，甚至消失。等离子弧焊接中，通过从工件f 面检测等离子弧反翘形态可以探知小孔是否穿透工件。总之，无论是从等离子弧冲击熔池方面考虑，还是从等离子弧对熔池作用力的角度考虑，当工件未熔透时，熔池上表面形状决定了等离子弧反翘的喷射角，在焊接速度反方向上，熔池上表面最大切线角就是等离子弧反翘的喷射角：当工件熔透时，等离子弧从小孔喷射出形成尾焰。随着小孔直径增大，等离子弧尾焰增大，而等离子弧反翘减小。2 4 焊接材料对等离子弧反翘的影响规律儿是氩弧焊能够焊接的材料均可用穿孔型等离子弧焊接，如碳钢、不锈钢等等。本文采用奥氏体不锈钢1 c r t s n i 9 t i 和普通碳钢q 2 3 5 束研究等离子弧反翘的规律。材料的化学组成、物理性能如表2 3 、2 4 所示。表2 - 3 材料的化学组成! ! ! ! ! ! ：! ! ! ! 里! ! ! ! ! ! 堡p ! ! ! ! ! ! 塾! ! ! ! ! 堡! i ! !墨耋i !竺!垒堕!墅生小锈铜( 1 c r l g n i 9 t i )e1 21 lo o20 0o0 3 0 o0 3 51 7 - 1 98 - - 1 1o8余量望型堂垫i! ! !生! ! j ! 堕! ：! ! !垒表2 4 材料的物理性能t a b l e 2 - 4p h y s i c a lp r o p e r t yo fm a t e r i a l 性能霄度熔点膨胀系数学热系数电阻系敛! ! ! ! ! ：! ! ! ! ! ：! = ! ( ! ! ! ! ，。! ! ! ：! ! !不锈锏7 91 4 8 01 731 62 67 2由于奥氏体不锈钢具有线膨胀系数大、导热系数小( 见表24 ) 、敏化温度范围宽( 4 5 0 - - 8 5 04 c ) 、晶粒易长大的特点，当采用较小的焊接线能量时就能够获得满意的穿孔效应。其相应的小孔形成和闭合时i 自j 短、等离予弧反翘最大的喷射角度小于4 5 。，最小喷射角是0 。等离子弧反翘的变化规律服从“没有一成氏最大一变小一没有”这样一个循环往复的过程。小孔也经历了“大一变小一最小( 刚合) 一变大一入”的循上不过程，见图2 - 4 。第。：章等离子弧反翘形态与小孔行为之间的芙系图27q 2 3 5 钢的等离子弧焊接过程的高速摄影她2 7p l a s m aa r cw e l d i n gp r o c e s su n d e rh i g hs p e e dp h o t o g r a p hu s i n gq 2 3 5不锈钢和普通碳钢两种材料的导热系数，线膨胀系数，化学成份有较大差异，所以对等离子弧焊接工艺的要求也是不同的。使用适当的焊接工艺参数进行q 2 3 5 n 的等离子弧焊接时，其高速摄影过程如图2 7 所示。等离子弧反翘的变化规律服从“没有一成长一最大一变小没有”这样一个循环往复的过程。相应的小孔的形成、闭合时间与不锈钢的等离子弧焊接相同，等离子弧反翘最大的喷射角度达到6 0 。，最小喷射角却始终停留在l o 。左右，这一点是与不锈钢等离子弧焊接不同的。另外一点不同的是等离子弧反翘的大小也是有较大的不同，对比图2 - 4 干b 图2 7 ，可以很清楚的得出这个结论。总的来说，焊接材料对等离子弧反翘的影响主要表现在周期内等离子弧反翘的大小和相应的喷射角度的大小。利用穿孔型等离子弧焊接普通碳钢比在焊接不锈钢 ! | | j 难一些，凼而低碳钢焊缝质量也不是很好。25 本章小结本章对等离子弧的特征进行了分析，并对实际的穿孔型等离子弧焊接过程进行高速摄影。从高速摄影的照片中了等离子弧反翘的性质和等离子弧反翘与熔池小孔的对应关系，并认为等离了弧反翘的形态变化可以表征熔池小孔行为的特征；此外，探讨了等离子弧反翘的形成机理：分析了不锈钢与碳钢材料等离子弧焊接时等离子弧反翘的形态。具体结论如下：1 等离子弧反翘的最高温度应在1 4 0 0 0 k 以下，其电离度最高在0 0 8 0 0 6 7 ，等离子弧反翘具有导电性。2 等离子弧反翘的形态( 摆起角度) 随着熔池小7 l 的的行为而发生变化。等离子弧反翘的变化规律经历了从“没有一成长一最大一变小一没有”这样一个循环往复的过程。小孔也相应经历了“大一变小一最小( 闭合) 一变大一火”的循环过程。小孔从闭合到逐渐变火，等离子弧反翘也发生从大到小的变塑兰皇箜曼墨垦塑堑查竺! ：塾堑塑兰塑塑茎重二一化，即在小孔形成前，随着焊接过程的进行，或者说，随着焊接熔深的增大，等离子弧反翘的摆起角度也逐渐增大，在小孔即将形成h 扎其摆起角度达到最大值，此后，等离子弧反翘的摆起角度逐渐变小，当小孔达到最人时，从焊接熔池正面已经看不到等离子弧反翘了。小孔经历从“大一变小一最小( 闭合)一变大一火”的循环过程，等离子弧尾焰的变化规律也是“大一变小一最小( 闭合) 一变大一大”的循环过程。3 通过实验表明，同样板厚的不锈钢( 1 c r l 8 n i 9 t i ) 与碳钢( q 2 3 5 ) 焊接巾等离子弧反翘最大角度不刷。在本实验条件下，不锈钢材料焊接时的等离子弧反翘最大角度为4 5 。左右，而碳钢焊接中等离子弧反翘最大角度为6 0 。左右。第二章等离f 弧反翘的探针检测原理年 实施方法第三章等离子弧反翘的探针检测原理和实施方法由第二章可知，等离子弧反翘在本质上是电弧等离子体的一部分。因为它能够表征熔池小孔的行为，所阻将等离子弧反翘的形态变化作为检测熔池小孔行为的特征信息。通过对熔池小孔行为的实时检测，从而达到对穿孔型等离子弧焊接的闭环控制。本章的任务是进一步深入研究有源、无源探针检测等离子弧反翘的原理和方法，并分析这两种检测方法各自的特点，最后确定采用哪。种探钳检测方法，并进一步深入研究影响探针检测的各种因素。3 1 等离子弧反翘的有源探针检测的原理和实施方法利用等离子弧反翘的导电性，根掘等离子弧反翘与小j l 的关系，s b z h a n g等人设计两种探针法检测装置来检测小孔的状态。由于检测装置需要外接一个直流电源，因此我们可以把该装置称之为有源探针检测装置；及将此方法称之为有源探针检测方法。图3 - 1 有源探针检测等离子弧反翘的装置( i )f i g 3 1d e v i c e ( i ) o fd e t e c t i n gp l a s m ac l o u du s i n gp o w e r第一种检测装置的原理图，如图3 - l 所示。它是利用两根直径为15 2 5 r a m 铈钨捧，外接直流电源输出电压为1 0 1 5 v ，功率为1 0 2 0 w ，以及相应的电阻组成一个等离子弧反翘的检测装置。两根铈钨棒被放置在焊炬运动方向相反的一方，第一钨极与焊炬喷组等高度，基本靠近喷嘴外圆处；第二钟钨棒设茕在焊炬嘴下方，与第个铈钨棒沿垂真方向相距2 3 m m 。检测时，当焊炬沿着焊缝向运动方向移动过程中，等离子弧在没有完全穿透工件形成“小孔”，反射出来的等离子弧反翘与处于高位置的第一铈钨棒相接触与电源、电阻构成回路，则有电流通过电阻。当：r 件被等离子弧完全穿透后，形成“小孔”，工件的背面形成尾弧，反射回来的等离子弧反翘会明显变弱，第一 ；| 1 j 钨笫王章等离子弧反翘的探针检删原理利实施方法棒阿路中没有电流流过，而处于低位置的铈钨棒与反射的等离子弧反翘相接触，在其回路中形成电流。如果没有等离子弧反翘反射，两个铈钨棒都没有电流流过。基于等离予弧反翘的这一变化，可以检测到等离子弧“小孔”是否建立，其等效电路见图3 - 3 所示。图3 3 有泺探针检测等离子弧反翘的装置( i i )n g 3 - 3d e v i c e ( i i )o f d e t e c t i n gp l a s m ac l o u du s i n gp o w e r第二种检测装置，如图3 3 所示。将第一种检测装置中的铈钨棒更换成金属板。该金属板设置在安装有绝缘套的喷嘴的外剧上。金属板设置均匀分