交叉耦合电弧中线间电弧的电气特性分析外文翻译资料

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交叉耦合电弧中线间电弧的电气特性分析

摘要

作为近年来引进的新型复合焊接热源，交叉耦合电弧采用非易损电极电弧（等离子弧）和易损电极电弧（线间电弧）交叉耦合，其中等离子弧为主弧，线间电弧为副电弧，实现对工件热量输入的单独控制， 电弧力和液滴传递。为了揭示等离子体电弧作用下线间电弧的电特性，在本研究中，使用旋转探头扫描等离子体电弧。当探头旋转成等离子弧时，形成电路，并根据电路间接分析线间电弧的电气特性：探头定心电流和输入电压作为物理量。结果表明，在一定的送丝速率下，线间电弧电流随输入电压的增加而增加。当输入电压较低时，送丝速率对线间电弧电流没有明显影响。在较高的输入电压下，当送丝速率较高时，线间电弧电流减小。随着等离子体电弧电流的增加，线间电弧电流迅速增加，然后缓慢增加，同时，击打电弧时间变长。随着喷嘴与工件之间间隔的增加，线间电弧电流增加，但当电弧长度增加到一定极限时，焊接电流的斜率明显下降。

关键词： 线间电弧， 电路， 输入电压， 线间电弧电流

1 引言

作为金属材料加工的重要手段，弧焊具有成本低、操作方便、自动化程度高等诸多优点[1-5]。然而，传统的电弧焊技术无法满足工业焊接快速发展的需求。国内外学者提出了一种新型多电极弧焊技术。肯塔基大学的 Zhang 等人 [6–9] 提出了双电极气体金属电弧焊 （DE-GMAW），其中使用旁路电极来减少工件的热量输入并确保沉积速率。2012年，Zhang等人[10-14]提出了旁路电弧焊-煤气金属电弧焊（arcing-wire GTAW），它使用主路的非消耗性电极电弧和旁路的易损电极电弧耦合。为了实现焊缝深度和沉积的解耦控制，主电弧控制焊缝穿透，旁路电弧控制导线沉积。北京工业大学陈等人[15，16]提出了基于DE-GMAW和电弧线GTAW的交叉耦合电弧焊。在图1中，交叉耦合电弧结合了非消耗性电极电弧和易损电极电弧。非消耗电极电弧作为主电弧，在工件和电极之间形成，主要控制输入到工件的热量和力。Te消耗电极电弧作为线间电弧，在两根导线之间燃烧，主要控制导线沉积和输入到工件的热量。熔池仅用作交叉耦合电弧的电极。它大大减少了热输入，并且与导线之间的电弧焊电路没有电气连接。交叉耦合电弧实现了焊接过程中传热、力传递和传质的解耦控制。交叉耦合电弧焊技术打破了传统的'焊接电弧是两个电极之间强烈而持久的放电现象'的观念。多个电极在电弧空间中同时放电，熔池只是多电极电弧的功能对象。多弧耦合载体是电弧本身[17-20]。Te交叉耦合电弧模式从根本上缓解了传统电弧在传热、力传递和传质方面的固有约束，为实现高效、高速、高质量的弧焊提供了新的技术方法。Te对交叉耦合电弧焊的研究主要集中在焊接工艺和焊接设备的协调控制上。但是，对交叉耦合电弧的电气特性的研究不足，这些特性决定了电弧电源系统的稳定性，并影响了焊接质量。因此，进一步分析交叉耦合电弧的电气特性可以优化和改进交叉耦合电弧焊技术。

已经采用了一系列方法来研究电弧的电气特性[21-24]。西安石油大学的Li等人[25-27]使用对低扰动静电探头的差异分析来诊断钨惰性气体（TIG）电弧的载流区域，并测量饱和离子电流以解决不同的焊接电流。北京工业大学的Chen等人[28，29]发明了一种检测电弧特性的装置和方法。通过收集和处理两个探头之间的电压信号，得到电弧特性的Te曲线。沈阳工业大学的Lu等人[30，31]使用探头来测试高频磁脉冲作用下电弧电流密度的径向分布。天津大学的Lv等人[32，33]通过使用MATLAB软件模拟TIG电弧来描述电弧的电气特性。交叉耦合电弧的最大意义在于焊接电弧处于耦合状态，这与传统的复合电弧不同。传统的复合电弧是由多个弧并排以一定角度组成，如双线串联焊接电弧和三线焊接电弧。Te复合电性能基本保持了各电弧的电特性，但交叉耦合电弧在交叉耦合中包括多个电弧，结合了每个电弧的横向电特性和纵向电特性。这不可避免地改变了耦合电弧的电气特性。上述方法只能测量交叉耦合电弧的电信号;它们不能直接有效地阐明等离子体电弧对线间电弧的电特性的影响，或者线间电弧对交叉耦合电弧内等离子体电弧的电特性的影响。

本研究以交叉耦合电弧的线间电弧为研究对象，构建了基于旋转探头的电弧测试系统。而不是线间电弧，而是使用小信号模型。本文报告了等离子体弧内线间电弧的电流-电压特性，以及等离子体电弧对电流-电压特性的影响和线间电弧的空间位置。为进一步研究交叉耦合电弧的电弧特性和电弧机理奠定了基础。

2实验程序

2.1 实验设备及原理

由于线间电弧是双耗材电极电弧，因此电弧长度存在实时变化。在研究等离子体电弧对线间电弧的作用以及等离子体电弧下线间电弧焊接参数之间的关系时，将添加弧长变化的干涉因子。Tis使测试结果的分析更加分散。因此，考虑了非消耗性电极电弧。此外，为了避免等离子体电弧的测试背景被线间电弧参数改变，可以通过小信号模型减少等离子弧背景的强度。通过整合这两个因素，线间电弧焊电路被探头电路所取代。探头和焊丝进入等离子弧的运动被忽略了。探头的转速取代了线间电弧的送丝速度，探头的中心电流取代了导线之间的电弧电流。在实验中，使用Te等离子体电弧作为非消耗性电极电弧，不产生滴滴跃迁，对探头测量几乎没有影响。

通过等离子弧旋转探头，在探头电路和线间电弧之间建立了连接。我们使用探头的旋转模式，以避免它们被等离子体电弧的高中心温度烧毁。由于线间电弧是消耗性电极电弧，焊接过程中存在液滴转移，导线在等离子体电弧的相对弯曲位置稳定地进行液滴转移。通过将探头端的位置和线端的位置设置为一致，将送丝速率替换为探头旋转速率。

在实验中，使用两个探针，每个探针的直径为1.0 mm作为电极。Te探头被施加在步进电机的轴上，并由于电机旋转而扫过等离子弧。图2显示探头旋转成电弧。探头表面涂有高温绝缘涂层（末端除外）。一方面，由于等离子体电弧柱的高温，探头相对较薄且容易燃烧;另一方面，电流保证仅通过探头端的一部分。

如图3所示，VPPA-400A等离子弧焊电源的输出在焊枪和水冷铜块之间形成稳定的等离子弧，等离子弧由恒流的外部特性控制。Te探头检测电路由一个可调电压源、一个电阻和两个探头组成。一方面，电阻在限制电流，防止探头中的电流过高和烧毁电压源方面发挥了作用。另一方面，它充当显示对比度，从而可以从电阻计算出探头和电路电流之间的等效电压。

Te旋转探头主要穿透等离子体弧的外部;因此，探头的尖端暴露在弧柱中。在探针末端的电噪声作用下，电子从探针末端逸出并进入探针末端，形成电路电流。当探头旋转到电弧柱中时，探头之间形成电路电流，探头之间的电压波形如图4所示。

图5显示了旋转周期内探头电压和电阻电压相对于时间的变化图。两条曲线以相同的趋势变化;也就是说，当探头旋转到等离子弧时，探头电压和电阻电压在任何给定时间都遵循Kirchhof电压定律。当电阻电压为零时，探头电路断开，探头不进入等离子弧。当电阻电压从零开始增加到极点，然后降低到零时，探头电路随着电流通过探头而关闭，并且探头之间有电压。探头电压变化的趋势类似于正弦函数。当达到最小探头电压时，探头的端面与另一个探头的端面平行，并且两个探头之间的间隔最小化。当探头旋转成等离子弧时，它们之间形成一个电路。电阻电压和电路电流根据基尔霍夫定律计算。Te电阻电压使用等式（1）计算，电路电流使用方程（2）计算。Tus，研究了交叉耦合电弧内线间电弧的电气特性。其中 Ui 是输入电压，UR 是电阻电压，R 是电阻值。 如图6所示，当探头旋转到等离子弧中时发生的过程被捕获并使用高速相机实时记录。在探针旋转成电弧之前，等离子体电弧在一束中，当探针旋转成电弧时，等离子体弧的外轮廓基本保持不变。在交叉耦合电弧焊接过程中，线间电弧在等离子弧中燃烧。Te线间电弧没有达到等离子体电弧的高结合状态，等离子体电弧力仍然明显。

2.2 实验方案

如表1所示，实验#1旨在研究送丝速率对线间电弧电特性的影响以及等离子弧内线间电弧的自调节。当探头旋转成等离子弧时，通过改变探头电路的探头速度和输入电压，测量探头电压，并计算探头定心电流。十、探头定心电流与探头电路输入电压的关系，以不同的探头速度确定。实验#2旨在分析等离子体电弧在线间电弧上的有效性。详细讨论了等离子体电弧电流对线间电弧电流的影响和击打电弧时间。在一定的探头速度下，当等离子体电弧电流发生变化时，研究了探头定心电流和定心时间的变化趋势。最后，设计了实验3，研究了线间电弧位置对线间电弧电流的影响，通过改变割炬喷嘴与工件之间的间隔，得到了探头定心电流的变化规律。

实验中，等离子体气体的速率为2 L/min。保护气体的速率为15 L/min。Te电阻R为100 Omega;。从探头到水冷铜块的距离为4 mm，探头之间的间隔为4 mm。数据采集系统实时记录焊接电流、探头电压和电阻电压。它的采样率高达10 k/s。高速相机以3000 f / s的帧速率记录了弧形。

3 结果和讨论

3.1 线间电弧下的电气特性等离子弧

图7显示了探头在不同探头速度下相对于探头电路输入电压的对中电流的趋势图。在实验#1中获得了fgure中的Te曲线。如图所示，在相同的探头速度下，随着探头电路输入电压的增加，电路电流增加，但当输入电压约为24 V时，电流明显从缓慢上升变为快速上升。在探头电路的相同输入电压下，探头定心电流的变化趋势因探头速度的变化而变化。当输入电压Ui为20 V时，探头对中电流的变化是明显的。探头速度越低，探头对中电流越大。

当探头电路具有输入电压并且探头开始旋转成电弧时，事先存储在探头尖端中的电子被加热到激发态。在电磁铁的力作用下，电子从探针表面逸出并定向移动，形成电路电流。Te电子源有两部分：等离子弧中的电子fow和探针电路提供的电子。在等离子弧中，电子运动的方向是从钨电极到水冷铜块。在探针电路中，电子运动的方向是从电源的阴极到阳极。等离子体电弧和探针电路之间的电火花作用导致电子运动向另一侧的缺陷，增加了电子运动的阻力。如图7所示，探头电路的输入电压较高。一方面，根据电容器的公式C=Q U，在探针末端存储的电子量较大，产生由电弧热激发的较大电子量。另一方面，探针之间的电磁铁变得更强，电子从探针尖端逸出并进入探针尖端的时间减少。Tat是，每单位时间从探针表面逸出并进入探针端的电子数量随着电路电流的增加而增加。

对高于20 V的输入电压进行了进一步分析，因为在交叉耦合电弧焊接过程中，由于极性电压的存在，电弧电压不能太低。在一定的送丝速率下，线间电弧的输入电压越高，焊接电路电流就越大。此外，线间电弧的上升特性与传统TIG电弧静态特性曲线的上升部分相似，如图8所示。当线间电弧的输入电压增加时，线间电弧之间的电磁铁变得更强;因此，单位时间内进入导线端的电子数量增加，焊接电路电流增加，等离子体电弧柱的横向电阻减小。当线间电弧电路由恒压源控制时，较高的送丝速率可减少导线末端的预热时间。此外，随着送丝速率的增加，从阴极区域逸出的电子数量随着线间电弧电流的增加而减少。

根据实验#1的结果，如图7所示，探头对中电流随着等离子弧背景下探头输入电压的增加和探头转速的增加而增加。在相同的输入电压下，较高的探头速度会产生较小的探头电流。在交叉耦合电弧焊接过程中，线间电弧充当易损电极电弧，液滴在等离子弧的热作用下被迫转移到熔池中。Tus，液滴转移在等离子弧中完成。当等离子弧参数被fxed时，线间电弧电流随电弧输入电压的增加而增加。由于输入电压和电流的增加，线间电弧的阴极和阳极区域产生的热量增加，线间电弧线末端稳定的液滴过渡点偏离等离子体电弧的中心线。塔特是，两根焊丝之间的距离增加;因此，等离子弧降低了线间电弧的热量。在相同的输入电压下，较高的送丝速度可产生较小的线间电弧电流和更低的电弧加热功率。为了获得更多的热量，稳定的液滴过渡点必须更接近等离子体电弧中心线;也就是说，必须减小两根导线之间的距离。

3.2 等离子弧对线间电弧电流的影响和线间电弧的醒目的弧时间

图9显示了电路电流随等离子体电弧电流增加的趋势图。fgure中的Te曲线是从实验#2中获得的。随着等离子体电弧电流的增加，探头定心电流增加。在140 A之前和之后的焊接电流的曲线斜率差异是显而易见的，但曲线仍然是线性的。当焊接电流为140 A时，探头定心电流会缓慢增加。

随着等离子体电弧电流的增加，电弧能量增加，电子在探针尖端具有更多的激发能，并且它们更容易从探针表面逸出。同时，等离子体电弧中的电子数量增加。最后，在电磁铁的力作用下，单位时间内进入探针末端的电子数增加，探针的电路电流相应增加。当焊接电流gt;140A时，随着焊接电流的增加，电子吸收能和等离子体电弧体积中的电子数增加。然而，由于探针尖端面积和电路电阻的限制，进入探针尖端的电子数量往往每单位时间饱和，电路电流缓慢增加。在交叉耦合电弧焊接过程中，线间电弧由恒压特性控制。在一定送丝速率的前提下，线间电弧电流随等离子弧电流的增加而增加;此外，电弧柱的热功率随着等离子体电弧电流的增加而增加。在这种情况下，导线端完全预热，等离子体电弧和线间电弧之间的体积中的电离度增加。Tus，带电粒子的数量增加，进入导线端的电子数量每单位时间增加，在线间电弧中形成的电流增加。

图10显示了探头定心时间相对于等离子体电弧电流的变化趋势图。Te曲线取自实验#2。使用相同的探头速度，分析等离子体电弧电流在探头定心时间上的变化，焊接电流范围为100~260 A。如果焊接电流进一步增加，等离子体电弧柱的温度升高，探头表面的绝缘层被烧毁，从而影响实验测量的结果。如图所示，随着焊接电流的增加，探头定心时间增加。Te等离子体电弧柱是带

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