变极性TIG焊接电弧稳定性分析.doc

变极性TIG焊接电弧稳定性分析姚河清 张俊涛 (河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)摘要：通过对变极性TIG焊接电弧稳定性试验研究，发现小电流电弧极性切换时，容易引起熄弧。同时, 电弧等效电阻的变化，导致严重的换向冲击。原因是：电路的等效电容、电感引起小电流换向速度慢，电弧等效电阻变小引起换相冲击。本文通过二次主回路加耦合电感，以及在电弧极性切换时，采用变参数PI控制与超前控制的软件控制策略。实验结果表明：变极性TIG焊接电弧稳定性问题得到有效解决。关键词：变极性；电弧稳定；等效电阻；控制策略The analysis of arc stability of the variable polarity welding TIGYao Heqing Zhang Juntao(Hohai University, College of Mechanical & Electrical Engineering, Jiangsu Changzhou 213022)Abstract：welding arc stability of variable polarity TIG welding was studied through experiment. The experimental results indicate that the small current cause the arc extinguisher when the welding arc commutating. Simultaneity, the diversification of the equivalent resistance, which can cause concussion. The equivalent capacitance and the equivalent inductance of the circuit which slower the speed of the current when the arc polarity change. In order to resolve the problem, added the coupling inductance in the main circuit and a control strategy incorporate variable parameter PI into advance control. Experimental results prove the welding arc stability of the variable polarity TIG is available.Key words：Variable polarity; arc stability; equivalent resistance; control policy0 前 言变极性逆变焊接电源是近10年发展起来的一种代替正弦波交流和方波交流焊机来焊接铝及其合金的新型焊机，是一种电流频率、正负半波电流幅值和时间比可以分别独立调节的方波交流电源。通常变极性焊接电源是由一次逆变和二次逆变组成，一次逆变控制使弧焊电源具有快速响应特性,二次逆变控制使弧焊电源具有良好的变极性能力，广泛应用于铝及铝合金的焊接。由于铝及铝合金在空气中极易被氧化，生成Al2O3氧化膜熔点高（约2050 0C）、比重大、非常稳定、不易被去除等等。所以为保证焊接质量，必须先去除表面氧化膜。变极性焊接铝及其合金是在控制周期内利用直流反接（电极接正DCEP）的“阴极雾化”作用对熔池表面氧化膜的进行清理，达到铝合金的焊接要求。变极性焊接一般控制阴极清理强度为2030，以达到减少钨极烧损和铝及其合金表面氧化膜清理的目的。但是，在极性转换的过程中，容易发生过零点熄弧，电流冲击过大，造成电弧的不稳定，影响焊接质量。为了解决电弧稳定性问题，本文提出一种新颖解决办法，在硬件方面，二次主回路加耦合电感，采用超前控制与变参数PI控制相结合的控制策略。取得良好的控制效果，变极性TIG焊接电弧稳定性得到有效解决。1 变极性调试试验现象在变极性TIG焊接电源调试过程中，容易产生小电流熄弧和电流过冲现象。图（1）为正极性电流为50A，反极性电流为100A时变极性焊接的电流电压波形，其中A为电流曲线，B为电压曲线。从图中我们可以看出，在焊接过程中，当DCEN向DCEP转换的过程中，经常会出现熄弧现象。而DCEP向DCEN转换的过程中，虽然没有出现熄弧问题，但是在换向时会产生很大的电流冲击。因此应该采取必要的措施来解决这两个问题，来提高变极性TIG焊接电弧的稳定性。图1 A为焊接电流波形B为焊接电压波形2 变极性TIG焊熄弧的原因分析2.1 电路方面分析由于电路中存在等效电感和等效电容，使得电流换向速度慢，延长换向时的过零点时间，导致熄弧。电路图如图（2），在EN换向为EP前，电路的等效电感为左“”右“”，电路对电容充电。在EN换向为EP时，电流迅速减小并换向，电路的等效电感为左“”右“”，阻碍电流减小，而此时电极换向，电流方向与反感电势方向相反，要使电极电流方向与电路反感电势产生电流方向一致，必须迅速降低反方向电流为零。这个过程就延长了换相过零点时间。图2 等效电路。L为等效电感，C为等效电容，R为等效电阻同时，研究表明，电流的变化速度di/dt必须达到10A/us以上才能保证小电流不熄弧。在半桥结构中，电感参与换向，而加在电感两端的电压不会超过电源空载电压。假设空载电压Uf=70V，电感为20uH。根据Ldi/dt=Uf,则di/dtUf/L70/203.5A/us，远远小于10A/us，容易造成过零点熄弧【3】。另外，由于本实验焊机的变压器匝数比为1：8，以三相整流电压为540V计算，经变压器之后空载电压理论值为67.5V，加上整个电路储能元件的分压以及防止直通现象而占空比不能达到100，所以实际电弧空载电压大约5055V，小于变极性TIG焊所要求70V左右的空载电压。这也可能造成钨极温度偏低，电子发射能力偏低，使变极性TIG焊过零电熄弧，进而影响电弧的稳定性。 2.2 物理特性方面分析在小电流情况下，EN换向为EP时，钨极从阴极转变为阳极。铝工件转变为阴极，铝阴极的电子发射机制主要以肖脱基效应（Schottky Effect），其电流密度可表示为：，式中：X为电位梯度。由于铝的熔点比较低，大约为660，热发射能力不强，主要以电子发射。因此，为了保证阴极区电子发射能力，需要很高的电场强度，因此在阳极区要有很高的电压压降UA，才能维持电子发射所需的电场强度，达到电弧稳定燃烧的目的。所以，可能由于过零点维弧电压不够高，导致过零点熄弧。同时，在EN换向为EP时，由于电弧的动态阻尼变大，减弱极性转换时的电流上升速度，引起极性转换时的过零点时间过长而熄弧。3 变极性TIG焊小电流过零点熄弧、电流冲击过大解决措施针对EP转变为EN时电弧等效阻尼突然变小引起的换向冲击现象及EN转变为EP时出现的小电流过零点熄弧问题，采取了以下措施：3.1 二次主回路加耦合电感图（3）为二次主回路加耦合电感的主电路示意图。图3 T1关断、T2开通图示情况为T1关断，T2开通，相对换向时间来说，T1关断时间很短，这里近似认为T1关断瞬间流过L1的电流几乎不变。T1关断后，L1的电流I1从T1转移到缓冲电容C1，对C1进行充电。由于T1、T2之间没有死区时间，因此T2这时开通。由于耦合电感的作用，L2上会形成反感电动势，T2开通后L2上将形成方向如图（3）所示的电流I2，并且耦合电感形成的反感电动势使得I2逐渐增大，这时电路中A节点的电流关系可表示为：，随着L1能量的逐渐减小，电流I1也在逐渐减小，而I2逐渐增大，且方向与I0相反，这样就加速了电弧电流I0的衰减，也即加快了电流的换向速度。当I1与I2相等时，电弧电流I0降到零点，这时I1会继续减小，I2会继续增大，而流过节点A的电流应该保持平衡，因此电弧电流I0会反向增加，当I1衰减到零时，也即是I2与电弧电流相等，并继续增加直到达到设定的反极性焊接电流，这样就完成了由EN向EP的整个换向过程。这个过程中耦合电感起了非常重要的作用，因此只要设计出合适大小的耦合电感和缓冲电容，就能够使电流换向速度大大增加，如果再考虑变压器输出电压对电流的推拉作用，那么电流的换向速度会更快。因此该电路在EN向EP切换的过程中即使不加稳弧脉冲或再引弧电流，也可达到理想的换向效果，不会出现断弧现象。3.2采用超前控制与变参数PI控制相结合的控制策略图（4）为采用超前控制策略时的焊接电流波形示意图。图4 焊接电流波形示意图EP转变为EN时采用小电流换向控制策略：在从EP切换到EN之前，先将电弧电流降低，再进行极性切换。降低电弧电流的目的是降低阳极和阳极区的温度，这样在进行极性切换后钨极由于温度的降低，热电子发射能力下降，可减小冲击电流。电弧电流的降低是保证电弧稳定的前提，试验中发现可以在换向前的几个控制周期（控制周期为50us）内将电流降至零，电弧仍然能够保持稳定，并且冲击电流大大减小。采用了这样的控制策略后形成了三段不同的电弧电流：正常的EP电流、过渡期的EP电流、正常的EN电流。而这三段所对应的电弧的等效阻尼也不相同，因此在PI控制中采用了三套不同的PI参数，以实现良好的控制效果。图（5）为采用该控制策略后100A的电流电压波形，可以观察到焊接电流很稳定，且极性切换时的电流冲击较图（1）明显减小。小电流换向策略图5 EN=50A,EP=100A时的电流电压波形在EP阶段，铝工件为负，电弧再引燃是在冷阴极条件下实现的，为使铝阴极发射电子，首先应建立阴极电场，而提高电弧电离度，有利于在阴极表面附近积聚正离子而形成阴极电场。因此在EN转变为EP时的控制方式为：在从EN切换到EP之前，通过施加电流脉冲进行稳弧，也就是在工件由正变负前电流波形的后沿，通过软件编程增加电流的给定值。提高电流的目的在于，变极性电弧变反极性之前提高电弧温度，这样就可以瞬间提高电弧的电离度，从而提高了变极性电弧由正极性变反变极性时的电弧稳定性，由于系统的响应速度很快，因此只需提前几个控制周期将电流的给定值提高即可达到稳弧效果。图（4）即为采用电流脉冲稳弧的焊接电流波形示意图，图（6）为采用该控制策略后50A的电流电压波形，从图中可以看出，在EN的末沿有一个电流尖峰，该尖峰即为施加的电流脉冲。另外在试验中还发现，只要该脉冲值达到100A，便能达到很好的稳弧效果，因此当平均焊接电流超过100A时，由EN向EP转换时，即便没有外加稳弧措施，也能保证变极性电弧的稳定性。此时电弧温度较高，过零时的剩余电子数能够满足变极性电弧再引燃条件，电弧稳定。图(7)为150A焊接时的电流电压波形，从图中可以看出，换向过程稳定，没有出现断弧现象。稳弧脉冲图6 EN=50A,EP=100A时电流电压波形图7 EN=150A,EP=200A时电流电压波形4 结 论1 电弧的稳定不仅与系统的电路有关，还与电弧物理特性有密切关系。2. 耦合电感能够加快变极性焊接时电流的换向速度。有效的改善小电流焊接时的换向熄弧问题。3. EP向EN转换时采用小电流换向，也即在转换前将电流给定值降低到零，有效地降低了换相时的冲击； EN向EP转换前提高电流的给定值，有效的解决了小电流焊接时的换向熄弧问题，提高了电弧的稳定性。参考文献：1 丁坤,姚河清,范兴辉,王守艳.变极性TIG焊电弧负载特性及换向控制策略.焊接学报J,2008,29(9): 33-34 2 郑宜庭,黄石生.弧焊电源.机械工业出版社.1999,10(3):5-63 范兴辉.基于DSP的变极性双逆变TIG焊接电源的研究.硕士学位论文M,2008,2:28-314 Zollner F. L. . EMI con