你爱或不爱,它就在那里,焊接等离子体

高速摄像拍下的电弧等离子体形态
20世纪90年代初期,我在宾夕法尼亚州门罗维尔的美国钢铁研究所工作,那时我们正在进行微合金化钢和控轧控冷钢的研究,我的冶金学家同事们欣然的把喜欢碳元素的人和讨厌碳元素的人分为了两组,然后在讨厌碳元素的小组内又分成了两组,分别是扬钒抑铌组和扬铌抑钒组。

在我从事焊接行业以后,同样的事情又发生了,一部分人喜欢以等离子体作为焊接热源,而另一部分人只坚持固相连接,想把等离子体彻底消除。

在焊接操作中我们可能会遇到这些事情:电渣焊操作员将焊剂倒在持续加热的熔渣上将会传出噼里啪啦的电弧声音、在高频作用下电阻焊突然在工件上产生电弧,弄的操作员一头雾水。激光焊接过程中用来保护和冷却的惰性气体突然产生等离子体羽流干扰激光束入射,实际上这些情况都是产生了等离子体所致。

实际上,在电弧放电或高功率密度光束冲击工件时极易产生等离子体,但是在所有的熔焊过程中等离子体都难以维护和控制。作为物质的第四种状态,正如Saha方程所描述的那样,等离子体是正负离子、电子和中性原子的过热混合,同时处于不断碰撞和能量交换的状态。然而,这种带电粒子高度分离和重组组合的混合体仅能在数万华氏度范围内维持和存在,而这一温度要10倍于熔焊所需要的温度。

我曾经言简意赅的对我的学生说过,等离子体要么存在,要么不存在,在使用弧焊和激光焊时,等离子体是一直存在的,因为我们不可能通过旋转某一个数量级的旋钮,去把此时的温度降至我们需要的数千度。

那么问题来了,当我们使用钨极氩弧焊、手工电弧焊、熔化极气体保护电弧焊、激光焊等焊接方法时,多余的能量跑哪去了呢?很明显,这些能量都浪费了,即使我们试图用焊剂(埋弧焊)覆盖电弧,抑或是将电弧隐藏在匙孔内部(隐弧氩弧焊)来减少能量的浪费,但仍然会有多余的能量灼伤我们的眼睛、皮肤,甚至把那些刚刚从事焊接的年轻人吓走。

另一方面,随着工业对便携化设备需求的不断增加,焊接电源在不断减小,因此电弧等离子体需要能够以低能耗的方式产生和转移,而在过去几十年,高频整流开关逆变技术使这一需求变成了可能。

同样的,对于高能束流焊接技术,如激光焊或者电子束焊,正是光子和电子高速碰撞金属产生的等离子体使得他们拥有蒸发金属的能力,并能够在较低的焊接热输入情况下维持焊接的小孔。从过去数值建模研究等离子体,到现在我们控制这种物理现象,我们对等离子体的理解和控制有了前所未有的发展。

等离子弧的弊端
多年前,我在进修研究生时,我的课题是电弧等离子体的物理行为,在接触到这门课题以后,我开始意识到等离子体在“arky-sparky焊接”(我在莱托诺大学的同事威廉•基尔霍恩教授对不成熟焊接技术的戏称)的“巨大潜力”以及等离子体作为热源的不一致性。等离子体核心和外部之间的数万度温度梯度迫使研究人员必须使用高频和电磁透镜对其进行压缩和稳定,甚至在那个时候“冷态等离子体”这个概念也被人们所接受。

继续从消极的角度来看,这些等离子体产生的内部压力会使得熔池内部出现气泡,在熔池快速凝固作用下会形成气孔留在焊缝之中(如熔透型激光焊就常出现这种问题)。同时由于电弧的几何形态特性,焊接电弧会对熔池表面产生很大的压力。等离子体内部的温度梯度会使得流体流动更多的受表面的张力所驱动,很可能会对焊接接头带来不良影响,张力的产生类似于电流通过等离子体传到焊接熔池后产生的洛伦兹力。

新旧想法的交替
如果我们摆脱掉熔化焊中的等离子体会怎么样?假设我们只是简单地将熔融金属浇注在两个钢板边缘之间,我们就会有一个不那么复杂和安全的过程。但是这个巧妙的想法真的可以减少能量和时间消耗吗?从原理上讲,我们似乎能够仅使用需要的能量去完成焊接过程,而避免额外能量的消耗,或者说我们也可以在那些老旧的焊接技术上投入更多的资金和精力,比如钢轨用的放热焊,只需要简单的化学反应就足以在坩埚中熔化焊料?当然,这些工艺和装备繁琐且不方便携带,但是它们确实能够在热输入和晶粒组织许用范围内产生接头。

我这么说并不是否定过去开发的低热输入、低残余应力、低变形、基于激光焊接的3D增材制造等一系列先进焊接技术,我想表明的是在一些特殊情况下,我们仍然有必要重新思考那些陈旧且经过验证的技术,将他们继续应用的新的材料连接中。

比如钛铝化物的焊接需要数百度的预热温度,并且无论采用哪种焊接方式都会产生粗化的晶粒组织,那么我们是不是就可以使用那些经过验证的、新开发的无等离子弧焊接技术呢?

就我个人而言,我仍然承认电弧等离子体的实际重要性,甚至曾经还和别人合作申请了短路模式熔化极气保护焊的电弧控制和检测的设备专利。但是后来我将研发兴趣转向固态焊接技术,也申请了微波连接控制专利,要求采取一切措施避免意外的电弧放电(等离子体)现象。

你们对等离子体有什么态度呢?正如你所看到的,即使我已经在焊接行业从事了四十多年,我仍然在等离子体爱好者和等离子体仇恨者之间徘徊。

如果你对焊接中的等离子体有任何评论或反对的意见(不仅仅是等离子弧焊),你都可以发送电子邮件至yoniadonyi@letu.edu。我很希望能听到你们的回复。

YONI ADONYI,博士,项目工程师(YoniAdonyi@letu.edu),美国焊接学会会员,德克萨斯州朗维尤莱托诺大学荣誉教授。

________________________________________
作者:YONI ADONYI 博士

译者:郑州机械研究所 秦建

 
长按二维码,关注我们
关于AWS业务、服务等信息,您可本公众号下,直接咨询在线客服人员

可别小看“弧焊焊接电源”

图1—弧焊焊接电源构成
焊接有着悠久而丰富的历史,发展到现在商业弧焊已经有一百多年的历史了,目前已经商业化的焊机有几十种类型。多年来,焊机制造商们不断地根据焊接需求和工艺的变化研发和改进焊接电源,尽管焊接工艺的不断发展,焊接电源仍旧是控制焊接电流、电压和输出功率的重要手段。
弧焊焊接电源基础
电力公司提供的工业用电电压一般为120V、230V、380V或480V,但是这对于弧焊电源来讲电压过高。因此弧焊电源的首要作用就是将高输入电压或线路电压调节到合适的输出电压范围,即20~80v。变压器、固态逆变器或电动马达发电机都可以将工业用电的电压调节至适用于弧焊电源的端子或开路电压。

不过,弧焊电源也可以通过原动机(如内燃机)提供能量。内燃机的旋转能量可以用来使发电机或交流发电机旋转,从而为焊接电源提供电流输入。

焊接变压器、逆变器或发电机/交流发电机可以提供高安培的焊接电流,输出电流范围在30A~1500A范围之间,可以实现交流、直流或者交直流的电流输出。焊接特性也可以实现恒流、恒压或者恒流恒压,部分电源还可以电流或电压的脉冲输出。

不同的电源配置提供的电流类型也不同。例如普通的变压器类型只提供交流特性,变压整流器电源可以根据操作人员的要求提供交流或直流特性。电动发电机电源通常提供直流输出,而交流发电机只提供交流,只有当配备整流器才能输出直流特性。

焊接电源可以继续按照子类别进行分类。例如,钨极氩弧焊焊接电源的具体特性包括:变压器-整流器、恒流、交流/直流输出。任何一种焊接电源的完整参数包括:焊接电流额定值、占空比额定值、使用分类和输入功率要求。当然还包括其他一些特殊功能,如远程控制、高频稳定性、电流脉冲能力、工作和收弧电流的时间控制、波平衡能力和线路电压补偿。传统的磁控制包括:可移动分流、饱和电抗器、磁放大器、串联阻抗或多抽头绕组。固态电子控制可采用相控、硅控整流或逆变控制半导体。电子逻辑电路或微处理器电路可以控制这些元件。

图1所示为电源线供电的焊接电源基本组成。通常弧焊电源不包括熔接器开关,但是该部件对于人员、设备的安全和保护十分重要。

发动机驱动的焊接电源元件与图1不同。它将需要内燃机、发动机调速器和交流发电机,根据需要还可以配备整流器、发电机和输出的控制器件。

在20世纪70年代脉冲电流焊接工艺出现之前,焊接电源一般分为恒流电源和恒压电源。这些分类都是基于电源静态的电流-电压特性进行分类,而未注意到动态电流-电压特性或电弧特性。“恒定”一词只有在常规状态下才是正确的。对于恒压输出的电源,焊接电压实际上会随着电弧电流的增大而减小或略有下降;而恒流输出的电源,电流则会随着电弧长度和电弧电压的减小而逐渐增大。不过对于这两种情况下,目前都有专门的电源可以实现电压或电流的真正恒定输出。恒流电源常称为变压电源,恒压电源常称为恒势电源。这些快速响应类型的固态电源可以在宽泛的频率范围内提供脉冲功率输出。

本文摘自:美国焊接学会(AWS)Welding Journal
译者:郑州机械研究所  秦建
 

长按二维码,关注我们
关于AWS业务、服务等信息,您可在本公众号下,直接咨询在线客服人员