工程科学学报，第41卷，第4期：505-511,2019年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.4:505-511,April 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.011:http://journals.ustb.edu.cn 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 朱志明⑧，符平坡，杨中宇，夏铸亮，程世佳 清华大学机械工程系先进成形制造教有部重点实验室，北京100084 ☒通信作者，E-mail:zzmdme(@mail.tsinghua..edu.cn 摘要采用基于反向再燃弧电压产生电路的变极性焊接电源为试验平台，研究了电源设备及其控制参数、焊接回路电缆寄 生电感和焊接工艺参数对变极性焊接电流换向过程的影响规律.试验结果表明，提高反向再燃弧电压值能够提升变极性过程 的电流变化速率，而较大的焊接回路电缆寄生电感会降低电流变化速率，同时降低变极性结束时的电流值，不利于变极性过 程的电弧可靠再引燃和稳定燃烧.初始焊接电流越小，则变极性过程结束时的电流值越小，增加共同导通时间可以提高变极 性结束时的电流值，但同时降低变极性开始时的电流大小.因此小电流变极性焊接时可采用较大的反向稳压值并适当增加共 同导通时间，以增强变极性过程中的电弧稳定性， 关键词变极性电弧焊接：反向再燃弧电压：寄生电感；共同导通时间：电流变化速率 分类号TG434.2 Experimental research on factors influencing the current commutation process of varia- ble-polarity arc welding ZHU Zhi-ming,FU Ping-po,YANG Zhong-yu,XIA Zhu-liang,CHENG Shi-jia Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology (Ministry of Education of China),Department of Mechanical Engineering,Tsinghua Uni- versity,Beijing 100084,China Corresponding author,E-mail:zzmdme@mail.tsinghua.edu.cn ABSTRACT In the current inversion process of variable-polarity arc welding of aluminum alloy,drastic changes in electron and ion concentrations in arc space may lead to the failure of current commutation and arc reignition,thus affecting the arc burning stability and weld formation quality.The novel reverse arc reignition voltage-generating circuit will produce a stable reverse voltage during the cur- rent polarity inversion process.In this circuit,the value of the reverse voltage remains unchanged with the variation in the base welding current,and thus can better meet the requirement of reverse arc reignition voltage for current inversion.Through the use of the variable- polarity welding power supply with novel reverse are reignition voltage-generating circuit as the experimental platform,the influence of the power equipment and its control parameters,the parasitic inductance of the cable in the output welding loop,and the welding process parameters on the current commutation process of variable-polarity arc welding was investigated.The experimental results show that increasing the value of the reverse arc reignition voltage can increase the current variation rate in the polarity inversion process. Contrastingly,a large parasitic inductance of the cable in the output welding loop will reduce the current variation rate and the current value at the end of the polarity inversion process,which is detrimental by the reliable arc reignition and stable arc burning in the polari- ty inversion process.The lower the initial welding current is,the lower the current value at the end of the polarity inversion process. Increasing the common conduction time can increase the current value at the end of the polarity inversion process,but decrease the cur- rent value at the beginning of this process.Therefore,to improve the arc stability in the polarity inversion process,a large value of the reverse arc reignition voltage and an appropriate increase in common conduction time can be used in low-current variable-polarity weld- ing.All of the conclusions previously presented can provide reference and basis for the selection and adjustmentof the power equipment 收稿日期：201807-25 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(51775301)
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期: 505--511，2019 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 41，No． 4: 505--511，April 2019 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2019． 04． 011; http: / /journals． ustb． edu． cn 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 朱志明，符平坡，杨中宇，夏铸亮，程世佳 清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084 通信作者，E-mail: zzmdme@ mail． tsinghua． edu． cn 摘 要 采用基于反向再燃弧电压产生电路的变极性焊接电源为试验平台，研究了电源设备及其控制参数、焊接回路电缆寄 生电感和焊接工艺参数对变极性焊接电流换向过程的影响规律． 试验结果表明，提高反向再燃弧电压值能够提升变极性过程 的电流变化速率，而较大的焊接回路电缆寄生电感会降低电流变化速率，同时降低变极性结束时的电流值，不利于变极性过 程的电弧可靠再引燃和稳定燃烧． 初始焊接电流越小，则变极性过程结束时的电流值越小，增加共同导通时间可以提高变极 性结束时的电流值，但同时降低变极性开始时的电流大小． 因此小电流变极性焊接时可采用较大的反向稳压值并适当增加共 同导通时间，以增强变极性过程中的电弧稳定性． 关键词 变极性电弧焊接; 反向再燃弧电压; 寄生电感; 共同导通时间; 电流变化速率 分类号 TG434. 2 收稿日期: 2018--07--25 基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目( 51775301) Experimental research on factors influencing the current commutation process of variable-polarity arc welding ZHU Zhi-ming ，FU Ping-po，YANG Zhong-yu，XIA Zhu-liang，CHENG Shi-jia Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology ( Ministry of Education of China) ，Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China Corresponding author，E-mail: zzmdme@ mail． tsinghua． edu． cn ABSTＲACT In the current inversion process of variable-polarity arc welding of aluminum alloy，drastic changes in electron and ion concentrations in arc space may lead to the failure of current commutation and arc reignition，thus affecting the arc burning stability and weld formation quality． The novel reverse arc reignition voltage-generating circuit will produce a stable reverse voltage during the current polarity inversion process． In this circuit，the value of the reverse voltage remains unchanged with the variation in the base welding current，and thus can better meet the requirement of reverse arc reignition voltage for current inversion． Through the use of the variablepolarity welding power supply with novel reverse arc reignition voltage-generating circuit as the experimental platform，the influence of the power equipment and its control parameters，the parasitic inductance of the cable in the output welding loop，and the welding process parameters on the current commutation process of variable-polarity arc welding was investigated． The experimental results show that increasing the value of the reverse arc reignition voltage can increase the current variation rate in the polarity inversion process． Contrastingly，a large parasitic inductance of the cable in the output welding loop will reduce the current variation rate and the current value at the end of the polarity inversion process，which is detrimental by the reliable arc reignition and stable arc burning in the polarity inversion process． The lower the initial welding current is，the lower the current value at the end of the polarity inversion process． Increasing the common conduction time can increase the current value at the end of the polarity inversion process，but decrease the current value at the beginning of this process． Therefore，to improve the arc stability in the polarity inversion process，a large value of the reverse arc reignition voltage and an appropriate increase in common conduction time can be used in low-current variable-polarity welding． All of the conclusions previously presented can provide reference and basis for the selection and adjustmentof the power equipment
·506 工程科学学报，第41卷，第4期 and its control parameters for variable-polarity arc welding under various process parameters. KEY WORDS variable-polarity arc welding;reverse arc reignition voltage;parasitic inductance;common conduction time:current variation rate 在铝合金变极性焊接的电流同向减小→经过零 本文以基于耦合电感+稳压二极管的反向再燃 点一→反向增大的换向过程中，因电流下降和换向、电 弧电压产生电路的变极性焊接电源为试验平台，试 弧空间温度降低等，使带电粒子的复合速率大于产 验研究和分析了不同反向再燃弧电压值、焊接回路 生速率，导致电弧空间的电子和离子浓度降低)， 寄生电感、共同导通时间以及焊接工艺参数对变极 电弧燃烧稳定性产生波动.对于小电流变极性焊 性电流换向过程的影响规律，为不同焊接回路寄生 接，电弧空间的电子和离子基值浓度相对较低，若电 电感和焊接工艺参数下的变极性焊接设备反向再燃 流换向过程控制失当，很容易在电流经过零点的短 弧电压值和共同导通时间的选择和调整控制提供参 时间内产生电弧瞬间熄灭现象，尤其是在直流正接 考依据 (direct current electrode negative,DCEN)→直流反 1反向再燃弧电压产生电路及控制策略 接(direct current electrode positive,DCEP)换向时， 阴极从钨电极（热阴极）转换到铝合金工件（冷阴 变极性焊接电源的二次逆变电路拓扑如图1所 极)，电子发射能力显著降低，从而影响电弧换向再 示，基于采用耦合电感的半桥式电路，由二极管D,、 引燃的可靠性、电弧燃烧的稳定性和焊缝成形质量. D,和瞬态抑制二极管(transient voltage suppressor, 为了实现变极性电流的顺利换向、电弧可靠再 TVS)构成反向再燃弧电压产生电路.图中，L和L 引燃和避免熄弧，需要保证电流换向的快速性，从而 分别为耦合电感和电源输出电缆的寄生电感，1为 使电弧空间的电子和离子浓度在电流经过零点时仍 电源输出电流，TA、T和Tcm为一次逆变功率脉冲输 保持在较高水平.目前，变极性焊接电源普遍采用 出接线端（对于二次逆变而言是输入接线端），Q,和 两级逆变的电路结构，在二次逆变电路中串联电感 Q2为功率开关器件（绝缘栅双极型晶体管(insulated (全桥式电路拓扑)习或采用耦合电感（半桥式电 gate bipolar transistor,IGBT)),其中g、c和e分别表 路拓扑)，可在电流换向过程中产生反向高电 示功率开关的门极、集电极和发射极. 压，促使电流极性的快速转变，减少电弧空间电子和 ● 离子浓度的下降幅度，同时反向高电压的加载也会 耦合 提高电弧空间的电场强度，加强电流经过零点后的 阴极电子的发射及电弧空间正离子的产生，提高电 弧再引燃的可靠性的.采用耦合电感+电阻一电容 输出 缓冲稳压网络的电路结构，可以降低焊接回路寄生 电弧 电感对反向电压值的影响，获得相对稳定的反向电 压值m.配合二次逆变电路拓扑的改进，在电流换 向过程的控制上采取共同导通、共同截止或者 超前控制等策略@，能够有效减少甚至避免电流极 滤波 性变换过程的熄弧和电流超调等问题.然而，在极 人人人人 性变换过程中产生的反向电压值随着焊接电流的降 图1变极性焊接电源二次逆变及反向再燃弧电压产生电路 低而减小，电流降低到一定值后，其反向电压值可能 Fig.1 Circuit of second inverting and reverse arc reignition voltage- generating circuits for the variable-polarity welding power source 无法满足稳定的电流换向和电弧再引燃的要求. Yamg等u提出了一种新型的反向再燃弧电压产生 图1中，一次逆变产生的功率脉冲经整流滤波 (reverse voltage generating circuit,RVG cir- 后变为直流，通过功率开关Q,和Q2的交替导通和关 cut),采用耦合电感+稳压二极管的电路结构，能 断实现电源输出电流的极性变换，耦合电感在电流 够在电流极性的变换过程中产生不随电流值变化而 换向过程中提供反向高电压，且反向高电压被并联 发生改变的稳定的反向再燃弧电压，其值仅与稳压 在功率开关的集电极c和门极g之间的瞬态抑制二 二极管的稳压值有关，可更好地满足电流变极性对 极管(TVS)箝位在其反向稳压值U-,不随焊接电 反向再引燃电压的要求 流值的变化而改变，从而在电弧和输出电缆两端
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 and its control parameters for variable-polarity arc welding under various process parameters． KEY WOＲDS variable-polarity arc welding; reverse arc reignition voltage; parasitic inductance; common conduction time; current variation rate 在铝合金变极性焊接的电流同向减小→经过零 点→反向增大的换向过程中，因电流下降和换向、电 弧空间温度降低等，使带电粒子的复合速率大于产 生速率，导致电弧空间的电子和离子浓度降低［1］， 电弧燃烧稳定性产生波动． 对于小电流变极性焊 接，电弧空间的电子和离子基值浓度相对较低，若电 流换向过程控制失当，很容易在电流经过零点的短 时间内产生电弧瞬间熄灭现象，尤其是在直流正接 ( direct current electrode negative，DCEN) →直流反 接( direct current electrode positive，DCEP) 换向时， 阴极从钨电极( 热阴极) 转换到铝合金工件( 冷阴 极) ，电子发射能力显著降低，从而影响电弧换向再 引燃的可靠性、电弧燃烧的稳定性和焊缝成形质量． 为了实现变极性电流的顺利换向、电弧可靠再 引燃和避免熄弧，需要保证电流换向的快速性，从而 使电弧空间的电子和离子浓度在电流经过零点时仍 保持在较高水平． 目前，变极性焊接电源普遍采用 两级逆变的电路结构，在二次逆变电路中串联电感 ( 全桥式电路拓扑) ［2--3］或采用耦合电感( 半桥式电 路拓扑) ［4--5］，可在电流换向过程中产生反向高电 压，促使电流极性的快速转变，减少电弧空间电子和 离子浓度的下降幅度，同时反向高电压的加载也会 提高电弧空间的电场强度，加强电流经过零点后的 阴极电子的发射及电弧空间正离子的产生，提高电 弧再引燃的可靠性［6］． 采用耦合电感 + 电阻--电容 缓冲稳压网络的电路结构，可以降低焊接回路寄生 电感对反向电压值的影响，获得相对稳定的反向电 压值［7］． 配合二次逆变电路拓扑的改进，在电流换 向过程的控制上采取共同导通、共同截止［8--9］或者 超前控制等策略［10］，能够有效减少甚至避免电流极 性变换过程的熄弧和电流超调等问题． 然而，在极 性变换过程中产生的反向电压值随着焊接电流的降 低而减小，电流降低到一定值后，其反向电压值可能 无法满足稳定的电流换向和电弧再引燃的要求． Yang 等［11］提出了一种新型的反向再燃弧电压产生 电 路 ( reverse voltage generating circuit，ＲVG circuit) ，采用耦合电感 + 稳压二极管的电路结构，能 够在电流极性的变换过程中产生不随电流值变化而 发生改变的稳定的反向再燃弧电压，其值仅与稳压 二极管的稳压值有关，可更好地满足电流变极性对 反向再引燃电压的要求． 本文以基于耦合电感 + 稳压二极管的反向再燃 弧电压产生电路的变极性焊接电源为试验平台，试 验研究和分析了不同反向再燃弧电压值、焊接回路 寄生电感、共同导通时间以及焊接工艺参数对变极 性电流换向过程的影响规律，为不同焊接回路寄生 电感和焊接工艺参数下的变极性焊接设备反向再燃 弧电压值和共同导通时间的选择和调整控制提供参 考依据． 1 反向再燃弧电压产生电路及控制策略 变极性焊接电源的二次逆变电路拓扑如图 1 所 示，基于采用耦合电感的半桥式电路，由二极管 D1、 D2和瞬态抑制二极管( transient voltage suppressor， TVS) 构成反向再燃弧电压产生电路． 图中，Lm和 Lw 分别为耦合电感和电源输出电缆的寄生电感，IL w为 电源输出电流，TA、TB和 TCom为一次逆变功率脉冲输 出接线端( 对于二次逆变而言是输入接线端) ，Q1和 Q2为功率开关器件( 绝缘栅双极型晶体管( insulated gate bipolar transistor，IGBT) ) ，其中 g、c 和 e 分别表 示功率开关的门极、集电极和发射极． 图 1 变极性焊接电源二次逆变及反向再燃弧电压产生电路 Fig． 1 Circuit of second inverting and reverse arc reignition voltagegenerating circuits for the variable-polarity welding power source 图 1 中，一次逆变产生的功率脉冲经整流滤波 后变为直流，通过功率开关 Q1和 Q2的交替导通和关 断实现电源输出电流的极性变换，耦合电感在电流 换向过程中提供反向高电压，且反向高电压被并联 在功率开关的集电极 c 和门极 g 之间的瞬态抑制二 极管( TVS) 箝位在其反向稳压值 Ur － a，不随焊接电 流值的变化而改变，从而在电弧和输出电缆两端 · 605 ·
朱志明等：变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 ·507· (图1中的点A和Tcm之间)提供稳定的反向电压， 其大小为U-,值的120.由于输出的反向电压值 仅与瞬态抑制二极管的稳压值有关，因此，改变瞬态 抑制二极管的规格（箝位电压值）即可实现电流变 极性过程中的反向再燃弧电压值的调节. 变极性焊接电源的输出采用一次逆变不关闭且 共同导通一段时间的电流换向控制策略，如图2所 一次 阶段 变输出 示，其中横轴t表示时间.结合图1，整个变极性过 程从图2的1时刻开始，至3时刻结束.1时刻之 Q开/关 前，Q,导通，在1时刻，开通功率开关器件(IGBT) Q,开/关 Q2,Q,和Q2开始共同导通，此时电源输出电压U。 (即电弧和输出电缆两端电压)为0，流过电弧负载 的输出电流1开始自由下降，至2时刻，I下降至 图2变极性焊接电源的输出电流换向过程控制策略 2,此时，关断Q1,开始反向稳压阶段，在耦合电感和 Fig.2 Control strategy of the output current commutation process for the variable-polarity welding power source 瞬态抑制二极管的作用下产生稳定的反向再燃弧高 压，促使电流1迅速换向，并增加至3，一次变极性 和与电缆长度及形状有关的寄生电感)、控制参数 电流换向过程完成. (如共同导通时间设置)等都可能对电流换向过程 产生影响.为此，分别设计对比试验，如表1所示， 2电流换向过程的影响因素 通过试验研究和分析这些参数对电流换向过程的 采用图1所示电路和图2所示控制策略进行变 影响规律.试验用保护气体流量为6L·minl,焊 极性焊接时，工艺参数（如焊接电流、电弧电压及极 接速度为100mm·min-l,采用的变极性频率为 性转换方向)、设备参数（如瞬态抑制二极管的规格 125Hz. 表1变极性电弧焊接试验参数 Table 1 Experimental parameters of variable-polarity arc welding 电缆长度/ 从直流反接到直流 从直流正接到直流 电弧长度/ 试验编号 焊接电流/ 反向电压/ A V 正接时间μs 反接时间/μs mm 1 100 400 1 2 100 400 7 60 60 3 50 400 > 1 1 4 100 400 > 1 5 100 400 13 1 6 100 200 > 1 2.1反向电压值及极性变换方向 的不同，电弧电压幅值会随U-值的增大而增大 图3和图4是反向电压U-.分别为400V(试验 (图3(b)和图4(b)) 1)和200V(试验6)，不同极性变换方向时，反向电 进一步对比图3(b)和图4(b)可以看出，极性 压产生阶段的焊接电流I、电弧电压U和电源输 变换方向不同，电弧电压变化规律存在明显差异. 出电压U。的波形图.为了使对比更清晰，对采集的 直流正接向直流反接转换时的电弧电压明显大于直 数据进行处理，所有波形以电流过零点为基准 流反接向直流正接转换时的电弧电压 从图3和图4可以看出，反向稳压阶段加载在 如图3(b)所示，在直流正接向直流反接转换过 输出电缆和电弧两端的电源输出电压U。近似等于 程的电流过零点附近，电弧电压突变成和电源输出 U,-.的1/2（图3(c)和图4(c));在该电压的作用 电压U。相同量级，说明此时电弧阻抗瞬间增大，焊 下，电流在极性转换过程中基本呈现线性变化，U-。 接电缆寄生电感等杂散参数的分压很小，U。的绝大 越高，电流换向速率越快、时间越短，但U-的值对 部分都加载在电弧两端.这是由于在直流正接向直 电流换向结束后所能达到的电流值1，没有明显影响 流反接转换过程中，电流经过零点后的电弧要依靠 (图3(a)和图4(a));由于叠加的反向电压U,-.值 铝合金的冷阴极场发射来提供电子，相对于直流正
朱志明等: 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 ( 图 1 中的点 A 和 TCom之间) 提供稳定的反向电压， 其大小为 Ur － a值的 1 /2［11］． 由于输出的反向电压值 仅与瞬态抑制二极管的稳压值有关，因此，改变瞬态 抑制二极管的规格( 箝位电压值) 即可实现电流变 极性过程中的反向再燃弧电压值的调节． 变极性焊接电源的输出采用一次逆变不关闭且 共同导通一段时间的电流换向控制策略，如图 2 所 示，其中横轴 t 表示时间． 结合图 1，整个变极性过 程从图 2 的 1 时刻开始，至 3 时刻结束． 1 时刻之 前，Q1导通，在 1 时刻，开通功率开关器件( IGBT) Q2，Q1和 Q2 开始共同导通，此时电源输出电压 UO ( 即电弧和输出电缆两端电压) 为 0，流过电弧负载 的输出电流 ILw开始自由下降，至 2 时刻，ILw下降至 I2，此时，关断 Q1，开始反向稳压阶段，在耦合电感和 瞬态抑制二极管的作用下产生稳定的反向再燃弧高 压，促使电流 ILw迅速换向，并增加至 I3，一次变极性 电流换向过程完成． 2 电流换向过程的影响因素 采用图 1 所示电路和图 2 所示控制策略进行变 极性焊接时，工艺参数( 如焊接电流、电弧电压及极 性转换方向) 、设备参数( 如瞬态抑制二极管的规格 图 2 变极性焊接电源的输出电流换向过程控制策略 Fig． 2 Control strategy of the output current commutation process for the variable-polarity welding power source 和与电缆长度及形状有关的寄生电感) 、控制参数 ( 如共同导通时间设置) 等都可能对电流换向过程 产生影响． 为此，分别设计对比试验，如表 1 所示， 通过试验研究和分析这些参数对电流换向过程的 影响规律． 试验用保护气体流量为 6 L·min － 1，焊 接速度 为 100 mm·min － 1，采用的变极性频率为 125 Hz． 表 1 变极性电弧焊接试验参数 Table 1 Experimental parameters of variable-polarity arc welding 试验编号 焊接电流/ A 反向电压/ V 电缆长度/ m 从直流反接到直流 正接时间/μs 从直流正接到直流 反接时间/μs 电弧长度/ mm 1 100 400 7 1 1 4 2 100 400 7 60 60 4 3 50 400 7 1 1 4 4 100 400 7 1 1 8 5 100 400 13 1 1 4 6 100 200 7 1 1 4 2. 1 反向电压值及极性变换方向 图 3 和图 4 是反向电压 Ur － a分别为 400 V( 试验 1) 和 200 V( 试验 6) ，不同极性变换方向时，反向电 压产生阶段的焊接电流 ILw、电弧电压 Uarc和电源输 出电压 UO的波形图． 为了使对比更清晰，对采集的 数据进行处理，所有波形以电流过零点为基准． 从图 3 和图 4 可以看出，反向稳压阶段加载在 输出电缆和电弧两端的电源输出电压 UO近似等于 Ur － a的 1 /2( 图 3( c) 和图 4( c) ) ; 在该电压的作用 下，电流在极性转换过程中基本呈现线性变化，Ur － a 越高，电流换向速率越快、时间越短，但 Ur － a的值对 电流换向结束后所能达到的电流值 I3没有明显影响 ( 图 3( a) 和图 4( a) ) ; 由于叠加的反向电压 Ur － a值 的不同，电弧电压幅值会随 Ur － a 值的增大而增大 ( 图 3( b) 和图 4( b) ) ． 进一步对比图 3( b) 和图 4( b) 可以看出，极性 变换方向不同，电弧电压变化规律存在明显差异． 直流正接向直流反接转换时的电弧电压明显大于直 流反接向直流正接转换时的电弧电压． 如图 3( b) 所示，在直流正接向直流反接转换过 程的电流过零点附近，电弧电压突变成和电源输出 电压 UO相同量级，说明此时电弧阻抗瞬间增大，焊 接电缆寄生电感等杂散参数的分压很小，UO的绝大 部分都加载在电弧两端． 这是由于在直流正接向直 流反接转换过程中，电流经过零点后的电弧要依靠 铝合金的冷阴极场发射来提供电子，相对于直流正 · 705 ·
·508 工程科学学报，第41卷，第4期 604 150(b) 反向电压400V 一反向电压200V 100 反向电压400V 50 -60 反向电压2D0V 90 AA -120 15980 15985 15990 15995 16000 15980 15985 15990 15995 16000 μs tlus 200e 反向电压 400V 反向电压 150 200V 50 1598015985 15990 1599516000 图3U,,对直流正接到直流反接电流换向过程的影响.(a)焊接电流：(b)电弧电压：()电源输出电压 Fig.3 Influence of U..on the current commutation process from DCEN to DCEP:(a)welding current:(b)are voltage:(c)output voltage of the power source 接阶段的钨极电子热发射，电子的产生要困难很多， 中可以看出，电缆长度的增大会降低电流极性变换 同时电弧空间导电电子和离子的减少带来了电弧阻 的速率，增加反向稳压阶段的时间，并减小反向稳压 抗值的升高.而在直流反接向直流正接转换过程 阶段结束后所能达到的焊接电流I的幅值；同时，电 中，电弧电压要低得多，也没有剧烈的突变（图4 缆寄生电感的增加，会使电源输出电压值增加，但增 (b)),这是由于钨极在直流反接阶段具有较高温 幅有限，对变极性过程的影响不大.总之，电缆长度 度，在直流反接向直流正接转换过程的电流过零点 的增大所导致的寄生电感增加，对变极性电流换向 附近仍有强烈的热电子发射能力，此时的电弧阻抗 过程存在不利影响. 相对较小. 2.3电弧长度 如上所述，极性变换方向不同，会显著影响电流 图6是电弧长度分别为4mm(试验1)和8mm 换向过程中的电弧电压和电弧等效电阻，但对电流 (试验4)时，直流正接到直流反接转换阶段的焊接 换向过程的电流变化速率、反向再燃弧电压值、电流 电流I和电源输出电压U。的波形图.从图6中可 换向时间和电流换向结束时的电流I,等没有明显影 以看出，电弧长度的变化对变极性电流换向过程的 响，因此，文中后续部分重点研究其他参数的变化对 电流波形影响很小，对电流换向时间的影响也几乎 直流正接到直流反接电流换向过程的焊接电流和电 可以忽略 源输出电压波形的影响. 2.4焊接电流 2.2输出电缆寄生电感 图7是初始焊接电流1。分别为100A(试验1) 图5是输出电缆长度分别为7m(试验1)和13 和50A(试验3)时，直流正接到直流反接转换阶段 m(试验5)时，直流正接到直流反接转换阶段的焊 的焊接电流I和电源输出电压U。的波形图.由图 接电流I和电源输出电压U。的波形图.电缆的寄 7可以看出，反向稳压阶段的电流极性变换速率和 生电感值与电缆长度和盘曲形状有关，在盘曲形状 I。基本没有关系，但反向稳压阶段的时间随着焊接 相似的情况下，电缆越长则寄生电感越大.从图5 电流的增加而增加，因此，在采用小电流进行变极性
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 图 3 Ur － a对直流正接到直流反接电流换向过程的影响． ( a) 焊接电流; ( b) 电弧电压; ( c) 电源输出电压 Fig． 3 Influence of Ur － a on the current commutation process from DCEN to DCEP: ( a) welding current; ( b) arc voltage; ( c) output voltage of the power source 接阶段的钨极电子热发射，电子的产生要困难很多， 同时电弧空间导电电子和离子的减少带来了电弧阻 抗值的升高． 而在直流反接向直流正接转换过程 中，电弧电压要低得多，也没有剧烈的突变( 图 4 ( b) ) ，这是由于钨极在直流反接阶段具有较高温 度，在直流反接向直流正接转换过程的电流过零点 附近仍有强烈的热电子发射能力，此时的电弧阻抗 相对较小． 如上所述，极性变换方向不同，会显著影响电流 换向过程中的电弧电压和电弧等效电阻，但对电流 换向过程的电流变化速率、反向再燃弧电压值、电流 换向时间和电流换向结束时的电流 I3等没有明显影 响，因此，文中后续部分重点研究其他参数的变化对 直流正接到直流反接电流换向过程的焊接电流和电 源输出电压波形的影响． 2. 2 输出电缆寄生电感 图 5 是输出电缆长度分别为 7 m( 试验 1) 和 13 m( 试验 5) 时，直流正接到直流反接转换阶段的焊 接电流 ILw和电源输出电压 UO的波形图． 电缆的寄 生电感值与电缆长度和盘曲形状有关，在盘曲形状 相似的情况下，电缆越长则寄生电感越大． 从图 5 中可以看出，电缆长度的增大会降低电流极性变换 的速率，增加反向稳压阶段的时间，并减小反向稳压 阶段结束后所能达到的焊接电流 I3的幅值; 同时，电 缆寄生电感的增加，会使电源输出电压值增加，但增 幅有限，对变极性过程的影响不大． 总之，电缆长度 的增大所导致的寄生电感增加，对变极性电流换向 过程存在不利影响． 2. 3 电弧长度 图 6 是电弧长度分别为 4 mm( 试验 1) 和 8 mm ( 试验 4) 时，直流正接到直流反接转换阶段的焊接 电流 ILw和电源输出电压 UO的波形图． 从图 6 中可 以看出，电弧长度的变化对变极性电流换向过程的 电流波形影响很小，对电流换向时间的影响也几乎 可以忽略． 2. 4 焊接电流 图 7 是初始焊接电流 I0分别为 100 A( 试验 1) 和 50 A( 试验 3) 时，直流正接到直流反接转换阶段 的焊接电流 ILw和电源输出电压 UO的波形图． 由图 7 可以看出，反向稳压阶段的电流极性变换速率和 I0基本没有关系，但反向稳压阶段的时间随着焊接 电流的增加而增加，因此，在采用小电流进行变极性 · 805 ·
朱志明等：变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 ·509· a 反向电压400V 反向电压400V 90 一反向电压200V 一反向电压200V 0 30 -30 -60 -20 -90 -120 19980 19985 19990 19995 20000 19984 19988 19992 W/us s 一反向电压400V 50 反向电压200V -50 -100 -150 -2997519980 19985199901999520000 μs 图4U,-,对直流反接到直流正接电流换向过程的影响.(a)焊接电流：(b)电弧电压：(c)电源输出电压 Fig.4 Influence of U.on the current commutation process from DCEP to DCEN:(a)welding current:(b)are voltage:(c)output voltage of the power source (a) 60 200 电缆长度7m 电缆长度13m 电缆长度7m 30 电缆长度13m wwwoyhyu 150 30 -60 50 -90 124980 15985 15990 15995 16000 15980 1598515990 15995 16000 μs μs 图5寄生电感对直流正接到直流反接电流换向过程的影响.()焊接电流：(b)电源输出电压 Fig.5 Influence of parasitic inductance on the current commutation process from DCEN to DCEP:(a)welding current:(b)output voltage of the power source 焊接时，虽然产生的反向电压值一定，但持续时间较 反向稳压前后的电流差(L2-1)减小. 短，电流换向结束时能达到的反向电流【较小，容易 2.5共同导通时间 带来小电流焊接时变极性电流换向过程的熄弧现 图8是共同导通时间分别为1μs(试验1)和60 象.需要强调指出，虽然反向稳压值U-.为定值，不 us(试验2)时，直流正接到直流反接转换阶段的焊 受焊接电流1。大小的影响，但产生反向稳压的能量 接电流I.和电源输出电压U。的波形图.由图8可 来源于耦合电感Lm,存储在耦合电感上的能量与实 见，在其他参数不变的情况下，共同导通时间的变化 际焊接电流1。密切相关，随着1，降低，耦合电感上的 对反向稳压阶段的电流变化速率几乎没有影响，对 储能下降，将导致反向稳压的持续时间缩短，从而使 反向稳压阶段的时间影响也较小.由于在共同导通
朱志明等: 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 图 4 Ur － a对直流反接到直流正接电流换向过程的影响． ( a) 焊接电流; ( b) 电弧电压; ( c) 电源输出电压 Fig． 4 Influence of Ur － a on the current commutation process from DCEP to DCEN: ( a) welding current; ( b) arc voltage; ( c) output voltage of the power source 图 5 寄生电感对直流正接到直流反接电流换向过程的影响． ( a) 焊接电流; ( b) 电源输出电压 Fig． 5 Influence of parasitic inductance on the current commutation process from DCEN to DCEP: ( a) welding current; ( b) output voltage of the power source 焊接时，虽然产生的反向电压值一定，但持续时间较 短，电流换向结束时能达到的反向电流 I3较小，容易 带来小电流焊接时变极性电流换向过程的熄弧现 象． 需要强调指出，虽然反向稳压值 Ur － a为定值，不 受焊接电流 I0大小的影响，但产生反向稳压的能量 来源于耦合电感 Lm，存储在耦合电感上的能量与实 际焊接电流 I0密切相关，随着 I0降低，耦合电感上的 储能下降，将导致反向稳压的持续时间缩短，从而使 反向稳压前后的电流差( I2 － I3 ) 减小． 2. 5 共同导通时间 图 8 是共同导通时间分别为 1 μs( 试验 1) 和 60 μs( 试验 2) 时，直流正接到直流反接转换阶段的焊 接电流 ILw和电源输出电压 UO的波形图． 由图 8 可 见，在其他参数不变的情况下，共同导通时间的变化 对反向稳压阶段的电流变化速率几乎没有影响，对 反向稳压阶段的时间影响也较小． 由于在共同导通 · 905 ·
·510 工程科学学报，第41卷，第4期 。-电孤长度4mm 60 。-电弧长度4mm 200 一电弧长度8mm 一电弧长度8mm% b 30 150 100 60 50 90 12 5980 15985 15990 15995 16000 15980 15985 15990 15995 16000 tμs tμs 图6电弧长度对直流正接到直流反接电流换向过程的影响.()焊接电流：(b)电源输出电压 Fig.6 Influence of are length on the current commutation process from DCEN to DCEP:(a)welding current:(b)output voltage of the power source 初始焊接电流100A 60 例 200 初始焊接 b 初始煤接电流50A 电流100A 初始焊接 150 电流50A 60 50 20 15980 15985 1599015995 16000 15980 15985 15990 15995 16000 s s 图7焊接电流对直流正接到直流反接电流换向过程的影响.()焊接电流：(b)电源输出电压 Fig.7 Influence of welding current on the current commutation process from DCEN to DCEP:(a)welding current:(b)output voltage of the power source ( 60 共同导通时间60μs 200 共同导通 共同导通时间1s 时间60μ 共同导通 150 时间1山s s10 50 1980 15985 15990 15995 16000 15980 15985 15990 15995 16000 μs tlμs 图8共同导通时间对直流正接到直流反接电流换向过程的影响.(a)焊接电流：(b)电源输出电压 Fig.8 Influence of common conduction time on the current commutation process from DCEN to DCEP:(a)welding current:(b)output voltage of the power source 期间输出电流自由下降，因此，增大共同导通时间会 和选择合适的共同导通时间 减小反向稳压阶段开始时的电流值I,,但可以有效 提高反向稳压阶段结束后所能达到的电流值I3·I3 3分析与讨论 增加，有利于降低反向稳压结束后电弧熄灭的概率， 在变极性电弧焊接的极性变换阶段，由于存在 但过大的共同导通时间可能会造成电流I2下降至 电流过零，电弧空间的导电状态变化剧烈，容易发生 0,导致提前熄弧，因此，实际应用时，需要综合考量 熄弧现象.提高极性变换阶段的电流变化速率，可
工程科学学报，第 41 卷，第 4 期 图 6 电弧长度对直流正接到直流反接电流换向过程的影响． ( a) 焊接电流; ( b) 电源输出电压 Fig． 6 Influence of arc length on the current commutation process from DCEN to DCEP: ( a) welding current; ( b) output voltage of the power source 图 7 焊接电流对直流正接到直流反接电流换向过程的影响． ( a) 焊接电流; ( b) 电源输出电压 Fig． 7 Influence of welding current on the current commutation process from DCEN to DCEP: ( a) welding current; ( b) output voltage of the power source 图 8 共同导通时间对直流正接到直流反接电流换向过程的影响． ( a) 焊接电流; ( b) 电源输出电压 Fig． 8 Influence of common conduction time on the current commutation process from DCEN to DCEP: ( a) welding current; ( b) output voltage of the power source 期间输出电流自由下降，因此，增大共同导通时间会 减小反向稳压阶段开始时的电流值 I2，但可以有效 提高反向稳压阶段结束后所能达到的电流值 I3 ． I3 增加，有利于降低反向稳压结束后电弧熄灭的概率， 但过大的共同导通时间可能会造成电流 I2 下降至 0，导致提前熄弧，因此，实际应用时，需要综合考量 和选择合适的共同导通时间． 3 分析与讨论 在变极性电弧焊接的极性变换阶段，由于存在 电流过零，电弧空间的导电状态变化剧烈，容易发生 熄弧现象． 提高极性变换阶段的电流变化速率，可 · 015 ·
朱志明等：变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 ·511· 以实现在电弧空间的电子和离子浓度降到最低值之 zing arc for the square-wave AC power source.Trans China Weld 前完成电流换向，有利于提高电弧燃烧的稳定性 Inst,1999(Suppl 1)5 (张广军，耿正，李俐群，等。方波交流电源的稳弧措施研究. 增大反向再燃弧电压值U-。,不仅能够显著提高极 焊接学报，1999（增刊1）：5) 性变换时的电流变化速率，而且较大的反向再燃弧 Ding Z M,Qi B J.Study on multi-unction arc welding dual in- 电压能够增强电流经过零点后的电子场致发射，有 verter.Electr Weld Mach,1995 (2):20 利于变极性焊接的电弧再引燃.输出电缆长度的增 (丁志民，齐铂金，多功能双逆变式弧焊电源的研究.电焊 加，将导致其寄生电感值增大，降低极性变换时的电 机，1995(2)：20) 流变化速率以及极性变换后的电流值，不利于电流 B]Li Z Y,Liu X Z,Chen M A,et al.Study on commutating process and its control of variable polarity square waveform power source. 变极性过程的电弧稳定，因此，在进行变极性焊接 Trans China Weld Inst,2002,23 (2):68 时，应尽量降低输出电缆的寄生电感，对于需要长电 (李中友，刘秀忠，陈茂爱，等。变极性方波电源的换向与控 缆输出的场合，可以采用增大反向再燃弧电压值的 制.焊接学报，2002,23(2)：68) 措施来弥补寄生电感对换流过程带来的不利影响. [4) Du C S,Zhang C H,Zhang GX,et al.Study on a novel second 对于小电流变极性焊接，其电弧空间的电子和离子 inverting main circuit of the square-wave AC TIG inverter.Powcer Electron,2003,37(2):56 浓度相对较低，在反向稳压阶段应尽量提高电流换 (杜春水，张承慧，张光先，等.新颖方波交流TG电源二次 向的速度，以减少极性变换过程中电弧的电子和离 逆变主回路的研究.电力电子技术，2003,37(2)：56) 子浓度下降，因此极性变换时应选择较大的反向再 5] Zhang M,Zhao J Y,Yao Q F.Study on variable polarity welding 燃弧电压值.同时，适当增大共同导通时间，在提高 power source based on TMS320F2812.Electr Weld Mach,2011, 电流换向速率的同时，增加变极性过程结束后的电 41(7):30 (张敏，赵敬云，姚秋凤.基于TMS320F2812的变极性弧焊电 流值，从而避免电弧熄灭.总之，在实际变极性焊接 源.电焊机，2011,41(7)：30) 中，应结合具体工况和工艺参数要求，综合调整设备 [6] Yin S Y,Huang J Q,Chen S J,et al.Study on mechanism of are 参数和控制参数，保证变极性电流换向过程的快速 re-ignition in square-wave alternation-current GTAW.Chin Mech 性和电弧再引燃的可靠性. Eng,2002,38(3):16 (股树言，黄继强，陈树君，等.方波交流GTAW电弧再引燃 4结论 机理的研究.机械工程学报，2002,38(3)：16) Chen J,Zhu Z M,Wang L H,et al.A novel secondary inverting (1)反向再燃弧电压值和输出电缆的寄生电感 circuit of the variable polarity welding power supply and its con 对电流换向速度有明显影响，是影响电流换向过程 technology.Trans China Weld Inst,2009,30(2):29 快速性、电弧再引燃可靠性和稳定燃烧的关键因素. (陈杰，朱志明，王琳化，等.新型变极性焊接电源二次逆变 增大反向再燃弧电压值和减小焊接电缆的寄生电感 电路及其控制技术.焊接学报，2009,30(2)：29) 8] Xie X K,Wang L,Li Z N,et al.Variable polarity plasma arc 有利于提高极性变换过程的电流换向速率、电弧再 welding power supply with self-adjusting commutation mode.Electr 引燃的可靠性和燃烧稳定性 Weld Mach,2005,35(6):45 (2)电源输出电缆的寄生电感越大、焊接电流 (谢星葵，王力，李志宁，等。自调整换向控制的变极性等离 越小，则极性变换后的电流越小，容易导致电弧熄 子弧焊接电源.电焊机，2005,35(6)：45) 灭，增加极性变换前的共同导通时间，可以增大极性 9] Li Z N.Du D,Wang L,et al.Varied damp phenomena of com- 变换后的电流值，但同时降低了极性变换前的电流， mutation progress in variable polarity plasma arc welding.Trans China Weld Inst,2006,27(11):9 可能造成电弧在极性变换前熄灭，因此，小电流变极 (李志宁，都东，王力，等。变极性等离子弧焊换向过程的变 性焊接时的应选择合适的共同导通时间以避免熄弧 阻尼现象.焊接学报，2006,27(11)：9) (3)电源设备的反向再燃弧电压值的选择，应 [10]Yao HQ,Zhang JT.Analysis of arc stability of the variable po- 结合具体的变极性焊接工况和工艺参数要求，综合 larity welding TIG.Electr Weld Mach,2011,41(1):32 考虑各参数对变极性电流换向过程的影响规律，与 (姚河清，张俊涛.变极性TG焊接电弧稳定性分析.电焊 机，2011,41(1)：32) 共同导通时间的控制参数协调配合 [11]Yang Z Y,Zhu Z M,Liu B.Reverse voltage generating circuit for rapid commutation of output current polarity in variable polari- 参考文献 ty are welding power supply.IET Power Electron,2017,10 [1]Zhang G J.GengZ,Li LQ,et al.Study on the method of stabili- (12):1609
朱志明等: 变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究 以实现在电弧空间的电子和离子浓度降到最低值之 前完成电流换向，有利于提高电弧燃烧的稳定性． 增大反向再燃弧电压值 Ur － a，不仅能够显著提高极 性变换时的电流变化速率，而且较大的反向再燃弧 电压能够增强电流经过零点后的电子场致发射，有 利于变极性焊接的电弧再引燃． 输出电缆长度的增 加，将导致其寄生电感值增大，降低极性变换时的电 流变化速率以及极性变换后的电流值，不利于电流 变极性过程的电弧稳定，因此，在进行变极性焊接 时，应尽量降低输出电缆的寄生电感，对于需要长电 缆输出的场合，可以采用增大反向再燃弧电压值的 措施来弥补寄生电感对换流过程带来的不利影响． 对于小电流变极性焊接，其电弧空间的电子和离子 浓度相对较低，在反向稳压阶段应尽量提高电流换 向的速度，以减少极性变换过程中电弧的电子和离 子浓度下降，因此极性变换时应选择较大的反向再 燃弧电压值． 同时，适当增大共同导通时间，在提高 电流换向速率的同时，增加变极性过程结束后的电 流值，从而避免电弧熄灭． 总之，在实际变极性焊接 中，应结合具体工况和工艺参数要求，综合调整设备 参数和控制参数，保证变极性电流换向过程的快速 性和电弧再引燃的可靠性． 4 结论 ( 1) 反向再燃弧电压值和输出电缆的寄生电感 对电流换向速度有明显影响，是影响电流换向过程 快速性、电弧再引燃可靠性和稳定燃烧的关键因素． 增大反向再燃弧电压值和减小焊接电缆的寄生电感 有利于提高极性变换过程的电流换向速率、电弧再 引燃的可靠性和燃烧稳定性． ( 2) 电源输出电缆的寄生电感越大、焊接电流 越小，则极性变换后的电流越小，容易导致电弧熄 灭，增加极性变换前的共同导通时间，可以增大极性 变换后的电流值，但同时降低了极性变换前的电流， 可能造成电弧在极性变换前熄灭，因此，小电流变极 性焊接时的应选择合适的共同导通时间以避免熄弧． ( 3) 电源设备的反向再燃弧电压值的选择，应 结合具体的变极性焊接工况和工艺参数要求，综合 考虑各参数对变极性电流换向过程的影响规律，与 共同导通时间的控制参数协调配合． 参 考 文 献 ［1］ Zhang G J，Geng Z，Li L Q，et al． Study on the method of stabilizing arc for the square-wave AC power source． Trans China Weld Inst，1999( Suppl 1) : 5 ( 张广军，耿正，李俐群，等． 方波交流电源的稳弧措施研究． 焊接学报，1999( 增刊 1) : 5) ［2］ Ding Z M，Qi B J． Study on multi-function arc welding dual inverter． Electr Weld Mach，1995( 2) : 20 ( 丁志民，齐铂金． 多功能双逆变式弧焊电源的研究． 电焊 机，1995( 2) : 20) ［3］ Li Z Y，Liu X Z，Chen M A，et al． Study on commutating process and its control of variable polarity square waveform power source． Trans China Weld Inst，2002，23( 2) : 68 ( 李中友，刘秀忠，陈茂爱，等． 变极性方波电源的换向与控 制． 焊接学报，2002，23( 2) : 68) ［4］ Du C S，Zhang C H，Zhang G X，et al． Study on a novel second inverting main circuit of the square-wave AC TIG inverter． Power Electron，2003，37( 2) : 56 ( 杜春水，张承慧，张光先，等． 新颖方波交流 TIG 电源二次 逆变主回路的研究． 电力电子技术，2003，37( 2) : 56) ［5］ Zhang M，Zhao J Y，Yao Q F． Study on variable polarity welding power source based on TMS320F2812． Electr Weld Mach，2011， 41( 7) : 30 ( 张敏，赵敬云，姚秋凤． 基于 TMS320F2812 的变极性弧焊电 源． 电焊机，2011，41( 7) : 30) ［6］ Yin S Y，Huang J Q，Chen S J，et al． Study on mechanism of arc re-ignition in square-wave alternation-current GTAW． Chin J Mech Eng，2002，38( 3) : 16 ( 殷树言，黄继强，陈树君，等． 方波交流 GTAW 电弧再引燃 机理的研究． 机械工程学报，2002，38( 3) : 16) ［7］ Chen J，Zhu Z M，Wang L H，et al． A novel secondary inverting circuit of the variable polarity welding power supply and its control technology． Trans China Weld Inst，2009，30( 2) : 29 ( 陈杰，朱志明，王琳化，等． 新型变极性焊接电源二次逆变 电路及其控制技术． 焊接学报，2009，30( 2) : 29) ［8］ Xie X K，Wang L，Li Z N，et al． Variable polarity plasma arc welding power supply with self-adjusting commutation mode． Electr Weld Mach，2005，35( 6) : 45 ( 谢星葵，王力，李志宁，等． 自调整换向控制的变极性等离 子弧焊接电源． 电焊机，2005，35( 6) : 45) ［9］ Li Z N，Du D，Wang L，et al． Varied damp phenomena of commutation progress in variable polarity plasma arc welding． Trans China Weld Inst，2006，27( 11) : 9 ( 李志宁，都东，王力，等． 变极性等离子弧焊换向过程的变 阻尼现象． 焊接学报，2006，27( 11) : 9) ［10］ Yao H Q，Zhang J T． Analysis of arc stability of the variable polarity welding TIG． Electr Weld Mach，2011，41( 1) : 32 ( 姚河清，张俊涛． 变极性 TIG 焊接电弧稳定性分析． 电焊 机，2011，41( 1) : 32) ［11］ Yang Z Y，Zhu Z M，Liu B． Ｒeverse voltage generating circuit for rapid commutation of output current polarity in variable polarity arc welding power supply． IET Power Electron，2017，10 ( 12) : 1609 · 115 ·