穿孔等离子弧焊尾焰电压的检测

董春林　吴　林
朱轶峰　张　慧　邵亦陈

　　［摘要］　提出了一种简便实用的尾焰电压检测方法，可直接测量建立于工件与测量板之间的尾焰电压信号。该信号能准确反映熔池小孔的状态。
　　关键词： 等离子弧焊　尾焰电压　电压传感器

Detection of Efflux Plasma Voltage in Keyhole Plasma Arc Welding

　　［ABSTRACT］　An easy and practical detection method for efflux plasma voltage is put forward, which can directly measure the efflux plasma voltage signal established between work piece and measuring bar. This signal can accurately indicate the keyhole condition in melting bath.
　　Keywords: Keyhole plasma arc welding　Efflux plasma voltage　Voltage sensor

　　穿孔等离子弧焊利用等离子弧能量密度高、等离子流力大的特点实现了穿孔焊接。高温等离子弧将工件完全穿透，熔池中形成贯穿工件的小孔，由工件背面小孔喷射出等离子焰流(Efflux plasma)［1，4］，也称尾焰［6］。有的文章中称它为二次电弧(Second arc)［2，3］或小弧，这是不确切的，因为它并非阴阳两极之间发生的气体放电现象，所以不能称之为电弧。自70年代开始，很多研究人员根据等离子弧穿透工件形成尾焰的导电性和光辐射现象，开发研制了监测熔池小孔行为的传感器，并实现了熔透闭环自动控制［2～6］。
　　本文介绍一种简便实用的尾焰电压检测方法，直接测量建立于工件与测量板之间的尾焰电压信号，不需引入交流电压源，且检测线路与焊接主回路实现了真正的电隔离，因而焊接主回路与尾焰电压检测线路互不干扰，提高了尾焰电压检测的可靠性。在实际焊接过程中，尾焰电压信号不仅能准确反映小孔的形成及闭合状态，且与焊缝背面熔宽的变化有对应关系。

1　尾焰电压检测原理和方法
　　在穿孔等离子弧焊接过程中，等离子弧穿透工件形成小孔，等离子焰流从工件背面小孔喷射出来，若在工件下方放置一金属板，并在工件与金属板之间施加交流电压，等离子焰流在工件与金属板之间即构成导电通道。由于等离子焰流本身是一种电良导体，因而测量回路中电流的变化可以反映熔池小孔的变化，这就是利用等离子焰流导电性传感小孔行为的基本原理。传感线路的示意图见图1。一般加在工件与金属测量板之间的电压U为工频交流220V［2］，也有采用24～36V的交流电压的。未形成小孔时，输出电压U0为零，形成小孔后，U0随小孔直径的增大而增大，这也说明小孔直径增大后，等离子焰流的阻抗降低了。

图1　等离子焰流导电法检测熔池小孔信号
Fig.1　Keyhole signal detected by
efflux plasma electric conduction

　　实际上，等离子焰流喷射到金属板上，在交界面上除进行热传递外，还要进行电荷的扩散与复合，等离子焰流中的电子和正离子撞击到冷的金属导体表面上后将复合成中性粒子。由于等离子焰流中自由电子的数量多，运动速度大，进入金属导体的电子数量远大于与正离子复合及从金属导体表面溢出的电子数量，因而在未加外部电场时，从整体上看，等离子焰流中自由电子的运动方向是从工件至金属板，金属板的电位要低于工件的电位，工件与金属板之间会产生电位差，即等离子焰流的电位差，简称为尾焰电压。
　　测量尾焰电压采用LV25P型霍耳效应电压传感器，该传感器用霍耳器件制成，根据磁补偿原理，副边电流回路产生的磁场对原边电流回路产生的磁场进行补偿，使霍耳器件始终处于检测零磁通的状态。原边回路电流的任何变化都会破坏平衡的磁场状态，一旦磁场失去平衡，霍耳器件就有信号输出，随即有相应的电流流过副边线圈以平衡磁场。这样一个动态平衡过程的建立时间一般在1μs以内，因而测出副边电流也就可以计算出原边电流，从而获得待测的电压值。霍耳电压传感器具有动态性能好、测量精度和线性度高、原边电路与副边电路完全电绝缘、抗外界磁场干扰能力强等优点。采用霍耳电压传感器的尾焰电压检测线路示意图见图2。根据霍耳电压传感器的工作原理可以得出尾焰电压U0与测量电压Um的关系式：

I0＝U0/R0

(1)

式中，R0为原边限流电阻，U0为尾焰电压，I0为原边电流。

Um/Rm＝KI0

(2)

式中，K为电压传感器的匝数比，Rm为测量电阻，Um为测量电压。综合(1)和(2)式，得出

U0＝R0Um/RmK＝αUm

(3)

式中，α是由检测线路决定的常数，α＝R0/RmK。
　　测量板为4mm厚紫铜板条，即图2中的绝缘铜板，放置在等离子弧焊背面保护垫板的凹槽中。为避免测量板与保护垫板接触，在测量板与垫板凹槽接触的3个表面上喷涂了Al2O3绝缘涂层，工件与测量板之间的距离为8mm。图3为实际焊接中用黑白CCD摄像机拍摄的等离子弧与尾焰的形态，由于等离子弧的辐射强度远远高于尾焰的辐射强度，拍摄时采用了不同透光率的中性减光镜片。

图2　尾焰电压检测线路
Fig.2　Efflux plasma voltage detecting circuit

图3　等离子弧和尾焰的形态
Fig.3　Shapes of the plasma arc and efflux plasma

2　试验结果和分析

2.1　试验条件
　　焊接试件材料为4mm厚的1Cr18Ni9Ti不锈钢板材，平板堆焊，焊接规范参数为：离子气流量1.1L/min，保护气流量10L/min，离子气、保护气及背面保护气均为氩气，喷嘴孔径2.2mm，钨极内缩2.5mm，钨极直径5mm。等离子弧焊焊接设备由美国Thermal Dynamic制造的PS-3000逆变电源、焊接程序控制器、焊枪及循环冷却装置组成。

2.2　尾焰电压检测结果
　　尾焰电压由图2所示的线路检测，经信号放大和低通滤波处理，再经A/D数据采集卡读入计算机。图4是4mm不锈钢1Cr18Ni9Ti平板堆焊时，计算机采集的全过程焊接电流和尾焰电压曲线，焊接速度为300mm/min，喷嘴到工件的距离为5mm。从图中可以看出，在电流缓升至临近最大值时，熔池孔形成，尾焰电压由0V上升至2V左右；在电流缓降阶段，尾焰电压由2.2V下降到0V，从尾焰电压的数值变化可以直接反映出熔池小孔的形成与闭合。

图4　焊接电流和尾焰电压曲线
Fig.4　Curves of welding current
and efflux plasma voltage

2.3　变速度焊接条件下的尾焰电压值
　　图5是变速度焊接条件下的尾焰电压曲线。焊接过程中，人为改变焊接速度，先从300mm/min逐渐降低至240mm/min，再升高到280mm/min，焊接速度在300，280，260和240mm/min时均保持一段时间，通过改变焊接速度，改变了焊接线能量，从而改变了焊缝背面熔宽。等离子弧焊过程中，形成小孔后，随着焊接速度的降低，尾焰电压升高，工件背面熔宽也逐渐增大；反之，随着焊接速度的增大，尾焰电压降低，工件背面熔宽也逐渐减小。

图5　焊接速度、尾焰电压和背面熔宽曲线
Fig.5　Curves of welding speed, efflux plasma
voltage and backside weld width

3　结论
　　(1)尾焰电压是穿孔等离子弧焊过程中，建立在工件与金属测量板之间，通过其尾焰的内部自由电子整体宏观运动所产生的电位差。
　　(2)用霍耳效应电压传感器直接测量穿孔等离子弧焊尾焰的电压，检测线路与焊接主回路隔离效果好，互不干扰，提高了可靠性和安全性，线路简便实用。
　　(3)尾焰电压信号不仅能准确反映小孔的形成及闭合状态，而且与焊缝背面熔宽的变化有对应关系。