接触式引弧方式在变极性TIG焊中的应用

姚 瑶，姚河清

（1.长沙学院 机电工程学院，湖南 长沙410003；2.河海大学机电学院，江苏 常州213022）

接触式引弧方式在变极性TIG焊中的应用

姚 瑶1，姚河清2

（1.长沙学院 机电工程学院，湖南 长沙410003；2.河海大学机电学院，江苏 常州213022）

在已搭建的双逆变变极性TIG焊接电源系统平台上，为保证电源的正常使用，设计了一种适用于变极性电源的TIG焊的接触式引弧方式，该方式将整个引弧过程分为接触阶段、维弧阶段和电流缓升三个阶段。接触阶段和维弧阶段的电流大小、电流变化速度都是可调节的。实验证明，该引弧方式不仅能应用于TIG焊变极性电源而且也适用于脉冲电源，并且有效避免了传统电源中接触式引弧常见的钨极烧损和电流过冲问题。

变极性；接触式引弧；钨极烧损

0 前言

引弧、焊接和收弧构成了实现电弧焊接过程的三个关键环节，引弧性能的好坏直接影响到焊接过程能否顺利进行。TIG焊作为一种重要的焊接工艺，具有焊接过程稳定、收弧容易控制的优点，但是引弧一直是TIG焊中较难解决的问题[1]。为尽量避免钨极烧损和焊缝夹钨，传统的TIG焊电源采取高频高压和高压脉冲等非接触引弧装置，尽管引弧效果比较好，但也具有危害人体健康、干扰周围环境等缺点[2]。随着焊接技术的发展，人们发明了TIG焊接触引弧方式，使TIG焊引弧技术得到进一步的发展[3]。

笔者研发了一种双逆变结构的变极性TIG焊电源，输出的方波交变电流正负半周的电流大小、工作时间都独立可调，可优化，从而满足以铝及其合金为典型的材料的焊接需求，该电源还能实现直流电源输出。双逆变结构的变极性电源主电路结构如图1所示。在电源的二次输出侧附加了由IGBT5、IGBT6组成的逆变电路，如果在输出侧连接高频高压或高压脉冲很容易造成二次逆变电子器件的破坏，据此考 虑使用接触式引弧方式。

图1 双逆变结构的变极性电源主电路Fig.1 Main circuit of variable polarity TIG welding source

1 变极性TIG焊接触式引弧的问题

通常TIG焊接触式引弧存在的问题有：在钨极和工件接触过程中容易造成电流冲击，形成钨极烧损，其结果一方面会形成焊缝夹钨，降低焊接质量，另一方面，钨极表面污染会降低钨极的电子发射能力，焊接过程不稳定。电弧引燃时可能形成电流上冲或下冲。电流上冲过大，焊接薄板时容易烧穿；电流下冲过大容易熄弧[4]。并且对于变极性TIG焊而言，焊接电弧是在DCEP（电极接正）和DCEN（电极接负）两种状态下工作，由于钨极和被焊工件材料的差异，电源极性不同，其电弧的导电状态也不尽相同。

1.1 DCEN电弧特点

当钨极接负、工件接正时，由于阴极为钨极，属于热阴极材料，当钨极达到热发射温度时产生强烈的热发射，阴极表面通常无斑点，电弧可以覆盖整个钨极端头，电弧较稳定、电形态较粗，并呈现明显的锥形，电弧力集中，熔深较大。由于热发射的作用，电子从阴极表面发射出来的同时也将热量从阴极表面带走，对阴极表面有冷却保护作用，可以减少钨极烧损的产生，因此，电弧在DCEN状态下引燃时，即使采用接触式引弧，也能有效地控制钨极烧损。但是直流DCEN在焊接铝和铝合金时，无法清理表面致密的氧化膜，因此不适合进行铝和铝合金的焊接[5]。

1.2 DCEP电弧特点

当钨极接正、工件接负时，由于阴极材料熔点较低，难以形成热发射，阴极发射电子主要采用场致发射方式，阴极表面出现明显的阴极斑点，并且斑点会发生移动，电弧稳定性较差，形成的焊缝熔深较小。电弧燃烧时，阴极有雾化和清理氧化膜的作用，并且还能自动寻找氧化膜区域进行清理，所以一般铝和铝合金焊接时会采用DCEP的连接方式。当钨极为阳极时，没有热阴极电子发射的冷却作用，阳极产热量较大，极易发生钨极烧损。因此，DCEP状态下接触式引弧，一般都很难避免钨极烧损。

2 微电流接触式TIG焊引弧方式

针对传统接触引弧在DCEP状态下易造成的钨极烧损、焊缝夹钨等缺点，设计了一种新的接触式微电流变极性TIG焊引弧方式。

接触式微电流引弧方式就是在钨极与工件接触时采用可调微电流引弧的方式[6]。将TIG焊短路引弧电流引燃过程分为钨极与工件接触、钨极提升和电弧引燃三个阶段，对短路引弧电流进行精准控制。钨极与工件短路产生焦耳热Q为：

当钨极与工件接触时，电流过大容易造成钨极烧损，因此在接触短路过程中要尽量减小输出电流值。但是传统的整流器式电源电路中电感较大，需要依靠电感在电流变化时产生的感应电动势和空载电压的共同作用使接触拉开的瞬间电极和工件之间有足够的电场强度，产生强烈的电场发射作用，击穿细小的空气间隙，引燃电弧。在必须有一定短路电流维持电感工作的同时，短路瞬间产生的热量会造成钨极烧损。在研发的双逆变变极性电源系统中，电感很小，既不会影响整个电源的动特性，又可以在接触阶段将瞬时短路电流降至极低的微电流值，保证短路阶段不会有钨极烧损、钨极粘连及电流冲击。当电极与工件脱离时，调节电源能及时地恢复空载电压。在空载电压的作用下，电极和工件之间出现小间隙时，阴极表面产生强电场发射后，电弧引燃。进入电弧引燃阶段，维持电弧在稳定燃烧的同时充分加热钨极使电流提高到一定的电流值并维持一段时间，再使电流按一定的速度缓升到焊接电流，进入变极性焊接状态。

因此将变极性TIG焊引弧过程分为三个阶段，即接触阶段、维弧阶段、电流缓升阶段。接触阶段采用微电流，尽量避免钨极烧损；维弧阶段保持一定的电流值，避免出现电流上冲的同时加热钨极；电流缓升阶段在巩固引弧效果的基础上避免电流下冲，保证电弧在进入变极性或脉冲焊接时能够维持一定弧长并保持稳定。引弧策略的电流波形示意如图2所示。

图2 微电流接触式引弧策略波形示意Fig.2 Arc ignition strategy

3 变极性TIG焊引弧试验

3.1 DCEN引弧

在DCEN状态下引弧时，钨极接负、工件（材料为铝合金）接正。当钨极的温度较低时发射电子的能力较弱，因此接触引弧时，如果短路电流太小会影响钨极预热，发射电子能力弱，从而造成引弧困难，只有当钨极温度升高后，热发射能力增强引弧才变得容易。DCEN引弧时实测的电流电压波形如图3所示，其中接触阶段电流为5 A，维弧电流为10 A。在DCEN引弧方式下进行了多次引弧试验，发现当电流大于3 A时均能正常引弧。但由于在DCEN时没有阴极雾化作用，并不能去除铝合金表面的氧化膜，引弧处容易形成黑色斑点，所以在焊接铝合金时不采用DCEN引弧。

3.2 DCEP引弧

在DCEP状态下，即电极接正、工件（材料为铝合金）接负时，由于Al2O3氧化膜的电子逸出功较小，发射电子相对容易一点。DCEP引弧时实测电流电压波形如图4所示，其中接触电流为5 A，维弧电流为10 A。由于DCEP阶段具有阴极雾化作用，所以铝合金表面进行引弧时未出现表面黑点，但因为引弧电流一般较小，所以阴极清理效果也不明显。采用DCEP引弧方式进行多次引弧试验发现，当短路电流大于2 A时均能够正常引弧，并且没有钨极烧损。

图3 DCEN引弧的电流电压输出波形Fig.3 DCEN arc ignition waveform of current and voltage

图4 DCEP引弧的电流电压波形Fig4 DCEP arc ignition waveform of current and voltage

4 脉冲引弧试验

脉冲电源一般采用DCEN输出方式，由于脉冲的幅值、频率、占空比均可调节，因此拓宽了TIG焊电流的调节范围，适用于不锈钢的薄板焊接。

该引弧方式不仅适用于变极性焊接，当电源为直流脉冲输出时，效果同样理想。脉冲输出时的实测电流引弧波形如图5所示，其中接触电流为2 A，维弧电流为5 A，脉冲电流为基值40 A、峰值80 A，引弧工件为不锈钢。试验证明，接触电流大于1A时，脉冲引弧成功。

5 结论

（1）接触式引弧容易出现钨极烧损和电流过冲问题，而变极性TIG焊时针对不同的电源极性，其电弧的物理特性有所不同。设计了一种新型微电流接触式引弧策略，将引弧过程分为接触阶段、维弧阶段以及电流缓慢上升阶段。

图5 脉冲引弧的电流电压波形

（2）通过变极性和脉冲引弧试验证明，在自主设定接触阶段电流和维弧电流的情况下，该引弧方式效果良好，在不同材料的工件进行焊接引弧试验时均能有效避免钨极烧损和电流过冲问题。

[1]FARSON D.Arc Initiation in Gas Metal Arc Welding[J].Welding Research Supplement，1998：15-20.

[2]吴宪平,夏卿坤，汪大鹏.一种逆变TIG焊机接触引弧电路的设计[J].机电产品开发与创新，2003（4）：21-22.

[3]李亮玉，刘景奎，苏淑靖.TIG焊引弧技术的发展与现状[J].电焊机，1995，25（3）：23-25.

[4]徐禾水.TIG焊的引弧形式与应用[J].江苏机械制造与自动化，1998（4）：6-8.

[5]耿正，张广军，邓元召，等.铝合金变极性TIG焊工艺特点[J].焊接学报，1997，18（4）：236.

[6]李冬青，张忠典，姜伟雁，等.钨极氩弧焊的小电流接触引弧方法[J].焊接学报，2001，22（5）：69-72.

Application of touch arc ignition strategy for variable polarity TIG welding

YAO Yao1，YAO Heqing2
（1.Electromechnical Engineering College，Changsha University，Changsha 410003，China；2.Electromechnical Engineering College，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Based on variable polarity TIG welding power system platform in the dual inverter has been set up on the power supply，in order to ensure the normal use of the design，the contact type for a variable polarity power supply TIG welding arc，the whole process is divided into short circuit arc stage，arc stage and the current slow rise three stages.The current value and speed of the short stage and the main stage can be changed as needed.The experiments have proved that the arc ignition is suitable for not only the variety polarity source but also can apply on pulse current source，without any obvious tungsten weariness and arc extinguish，and the arc ignition success rate is quite high.

variable polarity；touch arc ignition；tungsten weariness

TG444+.74

A

1001－2303（2017）11－0056-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.11

本文参考文献引用格式：姚瑶，姚河清.接触式引弧方式在变极性TIG焊中的应用[J].电焊机，2017，47（11）：56-59.

2017-05-02

姚 瑶（1982—），女，讲师，硕士，主要从事焊接电源及数字化的研究。E-mail：2580767246@qq.com。