电流脉冲频率对TIG电弧形态及压力的影响研究

王宇霄 ，蒋玉霞，徐 磊，李长青

1.西华大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610039

2.成都中车长客轨道车辆有限公司，四川 成都 611430

0 前言

随着管道运输、压力容器的大规模应用，高性能厚板的需求量日益增加，对厚板的焊接工艺也有了更高要求，在保证焊接质量的前提下，降低焊接生产成本、提高焊接效率，是厚板连接的主要发展方向［1］。厚板传统焊接方法通常需要开大角度V形坡口，焊接填充量大，容易导致热输入大、焊接变形严重等问题［2］。窄间隙焊接工艺因其熔敷量小、焊接效率高在大厚度结构件连接中具有明显的优势［3］。但窄间隙焊接过程中电弧易受到干扰［4］，发生偏吹，容易产生咬边等缺陷，因此，为了得到性能优良的焊接接头，可以通过提高电弧挺度来增强电弧的稳定性。

施加脉冲将影响电弧电磁热，理论上会引起挺度变化，所以国内外众多研究集中在脉冲频率对电弧挺度的影响。常云龙［5］等人采用小孔探针法探究了500 Hz内脉冲频率对电弧形态和压力的影响规律，发现随着电弧频率增大，电弧中心压力增大，电弧收缩程度增大，电弧的刚度和挺度增大。Yang［6］等人发现在超高频（>20 kHz）TIG焊中，随着脉冲频率的增加，电弧等离子体收缩加剧，等离子体射流力增强，电弧压力增大。邱灵［7］等人在焊接电流有效值相同的前提下，发现脉冲频率在5 kHz以上时，电弧力是普通变极性焊接电弧力的260%左右。路林［8］探究了500 Hz内电流脉冲频率对电弧压力的影响，发现脉冲电流下电弧发生了收缩，电弧中心气动压力由直流的 0.35 kPa提升到 0.44 kPa。Qi［9］等对奥氏体不锈钢进行GTAW电弧行为研究，发现随着脉冲频率增加，电弧等离子体发生收缩，电弧根部半径减小，电弧力增大，焊缝变窄。

以上研究表明，脉冲频率高有利于提高电弧挺度，但目前电流脉冲频率的研究多集中在较小的频率范围，或所选频率间隔较大。为更加详细描述电流频率对电弧形态的影响规律，本文将选择不同频段进行参数设置，探究脉冲频率对电弧挺度的影响规律。

1 试验设备及方案

1.1 试验系统组成

试验系统主要包括高频脉冲氩弧焊机、水冷紫铜板、高速摄像机和高精度压力变送器等，系统组成如图1所示。选取尺寸200 mm×150 mm×20 mm的水冷紫铜板。在水冷铜板正中心加工直径1 mm的测压孔，孔下端与高精度压力变送器相连，试验中焊枪匀速经过测压孔，通过压力变送器记录焊接电弧的瞬时压力值，以测量孔为中心，根据电弧运动路径绘制不同频率下的电弧压力变化曲线。同时通过高速摄像机实时记录不同脉冲频率下的电弧形态。

图1 试验系统组成示意Fig.1 Schematic diagram of experimental system composition

1.2 电弧图像处理

由于电弧图像在形成和传输过程中难免存在噪声干扰，降低了图像质量，给图像分析带来困难，且高速摄像机采集的图片数量多，人工处理不仅效率低下，还存在较大误差。为了提高数据准确度，采取MATLAB进行图像自动阈值降噪处理，对降噪后的图像进行填充，减少图像边缘的孔洞及像素孤立点，再对填充图像进行边缘检测，从而获得边缘清晰的电弧图像。图像处理典型效果如图2所示，基于处理后的图像来测量电弧宽度。

图2 电弧图像处理Fig.2 Arc image processing

1.3 试验方案

TIG焊工艺参数如表1所示。在表1的参数条件下，改变钨极氩弧焊电流脉冲频率进行试验，探究不同频率段对电弧压力和形态影响差异的大小，分别选取A、B、C、D四组脉冲频率，如表2所示。

表1 TIG焊工艺参数Table 1 TIG welding process parameters

表2 脉冲频率参数设置Table 2 Pulse frequency parameter setting

2 试验结果及分析

2.1 脉冲频率对电弧形态的影响

采用高速摄像机记录下不同脉冲频率下的电弧形态，如图3所示。

图3 2～15 000 Hz脉冲频率下的电弧形态Fig.3 Arc shapes under 2～15 000 Hz pilse frequency

对比不同脉冲频率下的电弧形态可以发现，在脉冲频率为50～7 000 Hz时，随着脉冲频率的变化，焊接电弧的收缩程度有明显差异，体现为电弧最大宽度的改变。为定量研究脉冲频率与电弧收缩程度的关系，通过钨极直径与电弧宽度的比例，计算不同频率下电弧的最大宽度，绘制电弧最大宽度与电流脉冲频率的关系曲线，如图4所示。

图4 电弧最大宽度与电流脉冲频率的关系Fig.4 Relationship of arc maximum width and current pulse frequency

由图4可知，电流脉冲频率在2～50 Hz时，电弧最大宽度基本保持在8.15 mm，在5 000 Hz后电弧最大宽度基本稳定在5.70 mm左右，在50～5000 Hz电弧最大宽度与电弧频率的自然对数呈负线性关系，对该频段曲线进行拟合如图5所示，获得电弧宽度与频率的函数关系为：

图5 50～5 000 Hz最大电弧宽度拟合曲线Fig.5 50～5 000 Hz maximum arc width fitting curve

由图5可知，施加频率为50～5 000 Hz的脉冲电流后，TIG焊的电弧形态发生了明显变化，重点体现在电弧最大宽度上的差别。随着电流频率增大，电弧最大宽度减小，电弧收缩程度增大。从频率50 Hz时的8.15 mm缩小到频率5 000 Hz时的5.29 mm，电弧最大宽度减小了35%。

2.2 脉冲频率对电弧压力的影响

不同频率下的电弧压力如图6所示，均表现出中心高边缘低的规律。为定量描述最大电弧力与脉冲频率的关系，绘制最大电弧力随电流频率变化曲线如图7所示。

图6 不同脉冲频率下的电弧压力变化曲线Fig.6 Arc pressure variation curve at different pulse frequencies

图7 最大电弧力随电流频率变化曲线Fig.7 Maximum arc force variation curve with current frequency

在不同频段，电弧最大压力变化显著程度不同，据此将测量结果分为2～50 Hz、50～5 000 Hz、7 000～15 000 Hz三组进行讨论。由图7可以看出，脉冲频率2～50 Hz时，电弧压力最大值稳定在80 Pa，说明在此频段改变电流脉冲频率对于增大电弧压力效果不明显；频率在5 000 Hz后电弧压力最大值稳定在155 Pa；而频率在50～5 000 Hz时，随着脉冲频率增大，电弧最大压力明显增大，从50 Hz时的81 Pa增大到5 000 Hz时的213 Pa，增幅达到163%，因此，在该频率段调整电弧频率对于增大电弧压力具有显著效果。

对50～5 000 Hz最大电弧力随频率变化曲线进行线性拟合，如图8所示。综合其他频段常函数得到2～15 000 Hz范围内分段函数关系为：

图8 50～5 000 Hz最大电弧力拟合曲线Fig.8 50～5 000 Hz maximum arc force fitting curve

导体中通过的电流可以看作由无数条方向相同的电流线组成，在电流线间产生相互吸引的电磁力，电磁力的方向用右手螺旋法则判断。由于电弧在钨极端受到电极尺寸的制约，在工件上则可以自由扩展，因此电弧形态通常情况下呈截面不断变化的圆锥体，电弧中带电粒子主要受到电磁收缩力和等离子流力的作用，这两种力均可分解为沿电弧径向和电弧轴向方向的作用力，如图9所示，电弧径向的作用力主要使电弧发散程度增大，熔深减小，熔宽增加，电弧挺度减小，而轴向的作用力主要使电弧收缩，熔深增加，电弧挺度增大。

图9 电弧中带电粒子受力分析Fig.9 Force analysis diagram of the arc charged particles

径向电磁力是电弧收缩现象的主要来源，而电磁衰减系数用于表征径向电弧收缩强度，两者之间成正比关系［10］，径向电磁力与电磁衰减系数函数为：式中F径为径向电磁力；μ为磁导率；I为脉冲电流；r0为固定弧面半径；R为电弧根半径；h为常值系数；f1、f2为径向电磁力F径变量替换；Ψ为电磁衰减系数。

根据电磁学基本原理和式（3）、式（4），可以推测电弧频率在2～50 Hz时，由于电弧频率较低，电弧力波动较小呈稳态，电弧最大宽度基本保持不变；在50～5 000 Hz时，由于电弧频率增加，电弧力显著增加打破了稳态，出现电弧收缩效应导致电弧宽度减小，其中电弧频率在5 000 Hz时，电弧收缩最为明显，其原因在于此频率下电弧的磁力衰减系数较大，电弧收缩强度增强，电弧收缩最为明显；电弧频率5000～15 000 Hz时，电弧宽度趋于稳定，其原因在于径向电磁力随着频率的增加而增大，然后缓慢减小，直到电弧处于稳态［12］。因此在实际工程应用中，可以通过在50～5 000 Hz范围内调整频率来控制电弧宽度和最大电弧力，达到控制电弧挺度的目的。

3 结论

在一定范围内改变钨极氩弧焊的脉冲电流频率能够改变电弧形态及压力，从而影响电弧挺度。主要结论如下：

（1）高频脉冲钨极氩弧焊电弧压力分布呈钟罩型，在电弧中心的电弧压力最大，距离电弧中心越远压力越小；

（2）不同频段范围内频率对电弧的影响效果存在显著差异。在2～50 Hz和5 000～15 000 Hz范围内，脉冲频率对电弧挺度的影响不明显；而在50～5 000 Hz范围内改变电弧频率，电弧压力明显提高，并且电弧最大宽度和最大电弧压力均与脉冲电流频率的自然对数呈线性关系。