等离子弧焊中小孔稳定性的研究

大反翘角度和高度相应降低，检测电压最大值变小，甚至
有可能造成探针脱离等离子反翘，无法检测到究人员对小孔行 为的检测与控制方法进行了一系列的研究，包括 弧光传感法、尾焰导电法、声音信号法以及图像 处理法等，但这些 检测方法或是由于应用条件苛 刻或是由于成本过于昂贵而难以应用于实际生产 。故提出了一套无源探针检测系统，该系统利用 电弧反翘进行传感，具有可靠和实用廉价的特点 。
四.实验原理及方法
1.等离子体反翘形成原理
等离子弧焊的电弧力较大，使熔池表面产生 很大的变形，而且由于熔池前、后半部分各种条件 的不同，熔池并非对称。等离子弧大部分作用在熔 池的前半部分，作用在熔池前、后半部分的等离子 体都沿熔池上表面向熔池最低点运动，并在最低点
处汇合。由于前半部分多于后半部分，整个等离子
子体之外时，尽管该出温度很高，由于不存在等离子体，
故检测到的电压为零。另外，当探针距离等离子反翘喷射 中心太近时，由于反翘温度过高，探针将被烧坏，因而无 法进行检测，总之，确定探针在反翘中的合理位置是非常 关键的。
（3）焊接速度 在其它焊接工艺参数不变的条件下，焊接速度变化 时，热输入相应发生变化，导致焊接熔池形状不同。等离 子反翘是在焊接反方向熔池的最大切线处喷出，故其最大
处，会形成一个带负电的
鞘层。该鞘层电位与等离 子体温度T成正比，与粒子 对电子质量的比值有关， 与探针形状以及探针深入
到等离子体中的长度无关。
此外，检测电压还包括探针与工件之间存在的电位梯
度导致的分压，该电压的取值与探针和工件之间的电位梯 度有关。随着反翘形态的变化，探针处等离子体温度也将 发生周期性变化，从而导致电压的变化，故该电压变化可 以反映小孔的形成状态。
穿孔等离子弧焊中小孔稳定性的研究
一.等离子弧焊的定义
二.穿孔等离子弧焊的发展历史
三.课题的意义 四.实验原理及方法
一.等离子弧焊的定义
• 等离子弧焊是一种不熔化极电弧焊，它是利用等
离子弧作为热源的焊接方法。
• 所用的电极通常是钨极。
• 产生等离子弧的等离子气：氩气、氮气、氦气或
其中二者之混合气。
在正常的焊接条件下，由于材料的导热系数，线膨胀
系数，化学成分的较大差异，造成了熔池形状的很大差别
，引起等离子反翘的明显差异，从而导致检测结果不同。
（2）探针位置 等离子弧反翘的温度分布不均匀，从中心到两端，温 度逐渐降低。因此，当探针从反翘的中心向外部移动时， 随温度的降低，造成鞘层电压的绝对值也相应的减小，因 此，检测到的反翘电压幅值也随之减小；当探针处在等离
二.穿孔等离子弧焊的发展历史
• 1954年，研究人员发现，经过压缩的电弧能量更加集
中，电弧温度和射流速度大幅度提高。这种具有高温、
长弧柱特性的拘束态电弧很快被用于切割有色金属，
随后进一步的实验研究证实，这种压缩电弧也可用于
焊接。 • 等离子弧焊刚一问世，就得到工业界的极大关注，尤 其是国防与航空航天工业。1966年，美国公司合作开 发研制了一套自动化等离子弧焊设备，用于火箭助推
器壳体，这标志着等离子弧焊正式应用于实际产品的
生产。采用等离子焊后，焊接工时缩短50%，而且焊 接质量较好。其它的应用实例还有轰炸机的主翼机匣、 喷气发动机中心压气体壳体、直升机桨叶圆柱大梁、 钛合金机翼蒙皮、高强钢痛形蓄压器等。 • 60年代初期美国公司首先采用直流反极性等离子弧焊 进行了铝合金焊接试验研究，生产率和焊接质量都明 显提高，但钨极烧损严重，电弧的稳定状态容易受到 破坏。70年代初期美国波音公司的研究人员采用西雅
体将会沿熔池上表面最大切线角喷射而出，形成等
离子体反翘。
整个过程如下图所示:
2.等离子体反翘与小孔尺寸的关系
从等离子体反翘形成的原理可以看出，等离子体 反翘的大小形态与熔池上表面有很大的关系。为了弄 清它们之间的关系，分别研究小孔形成过程中等离子
体反翘的变化以及不同小孔尺寸下等离子体反翘的形
态。采用高速摄影仪对整个小孔形成过程中等离子体 反翘的变化过程进行高速摄影。 下图(2a~i)是小孔形成过程中等离子反翘的变化情况 。
三.课题的意义
稳定的小孔焊接过程是焊缝完全焊透的一个标 志，有利于保证焊缝完全焊透，因此该工艺自打问 世以来一直受到工业界的极大关注。然而，焊接小 孔的不稳定性直接影响着小孔型等离子弧焊接过程 稳定性及接头质量，且影响小孔稳定性的因素较多 ，焊接规范区间窄，易发生小孔闭合或工件焊穿等 缺陷，这些问题制约着这种高效焊接技术的工程应 用，因而小孔行为的检测和实时控制的研究具有
焊接刚开始时，由于焊缝熔深较浅，熔池的非对
称性也较小，此时几乎没有等离子体反翘产生；
随着焊接过程的进行，熔深不断增大，电弧也较
多的作用在熔池的前半部，等离子体反翘不断增 强，反翘角度不断变大。
在刚好形成小孔时反翘角达到最大值。
3.反翘电压检测方法
无源探针检测系统如右图 所示，其原理为：由于等 离子体的导电性，在探针 与等离子反翘的表面接触
4.试验系统和条件
（1）试验系统 试验系统主要由以下几部分组成：等离子弧焊接系统 ，无源探针检测系统，计算机数据采集系统和高速摄像仪
。
2.试验条件
焊接工件材料：不锈钢，板厚为5mm。 焊接参数：钨极内缩3.0mm，焊接电流190A，焊接速度 5.6mm/s，粒子流量4.0L/min，保护气流量20L/min，离子 气，保护气均为氩气。 3.试验可能的影响因素的分析 （1）材料
穿孔型等离子弧焊：
过程：利用等离子弧焊能量密度高和等离子流穿 透力大的特点，在适当的条件下可以实现穿孔 型焊接，这时等离子弧将工件完全熔透并在等 离子流穿透力作用下形成一个穿透工件的小孔， 熔化金属被排挤在小孔周围。随着等离子弧焊 接方向移动，熔化金属沿着电弧周围的熔池壁 向熔池后方移动，使小孔跟着等离子弧向前移 动。
反翘角度也会相应改变。焊接速度增大，最大反翘角度减
小；焊接速度减小，最大反翘角度增大。所以，固定位置 的探针所处的等离子鞘层的温度会随反翘形态的变化而变 化，影响反翘电压的取值。
4.焊接电流 焊接电流的变化也会对检测电压的取值带来影响。在小 孔形成以前，焊接电流增大，熔池的熔深增加，反翘角度 变大，检测电压增加，在即将形成小孔时达到最大值；小 孔稳定存在时，焊接电流增大，则熔池小孔直径增加，最
基公司制造的变极性方波电源发出变极性等离子弧焊
工艺，随后另一家公司根据等离子弧焊工艺要求，设 计制造了第一台变极性等离子弧焊电源。自此，变极
性等离子弧焊技术以其特有的工艺优势在铝合金构件
焊接中得到广泛应用。 • 1978年，美国宇航局购买了专用于铝合金焊接的大功 率变极性等离子弧焊系统，并决定采用变极性等离子 弧焊取代钨极保护焊用于航天飞机外储箱的焊接，这 一举动推动了等离子弧焊工艺、设备及焊缝成形与焊 接质量控制等一系列研究课题的深入开展。
• 同时通过喷嘴用惰性气体保护，一般用氩气。
• 焊接时可以外加填充金属，也可以不加填充金属。
等离子弧：如右图所示，
它是借助于冷喷嘴，保 护气流等外部拘束条件， 使弧柱受到压缩，弧柱 气体完全店里而得到的
电弧，其温度远高于一
般的电弧，可以达到 3000K。因此其具有热量 集中，温度高，电弧挺 度好等特点。