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1、一 铝合金的焊接特点铝及其合金资源丰富，具有比重小、强度高、表面氧化膜有较强的抗腐蚀性能,现已广泛应用于航天、航空、核能、化工容器及军事工业等各个领域。铝及其合金具有以下一些焊接性能：1、铝及其合金非常容易和氧起作用，在表面生成一层致密而难熔的氧化膜（AL2O3），厚度约0.1-0.2微米，熔点高达20500C（铝合金熔点大于6000C）。比重也大（3.85克/厘米3），它防碍基本金属的熔化，极易造成夹渣，焊接时应把氧化膜清除掉。2、液态铝可以溶解大量氢气，固态铝却几乎不溶解氢，因此，焊接快速冷却凝固时，极易产生气孔。3、线膨胀系数和结晶收缩率比钢大2倍，易产生较大的焊接变形和内应力，易产生裂
2、缝。4、导热率高。铝具有高的的导热性（比钢大2-4倍）和热容量，因此铝及其合金焊接时，要求采用能量集中的强热源。5、合金元素的蒸发及烧损严重,从而改变焊缝金属的化学成分，性能下降。6、高温强度和塑性低，常常不能支持液体熔池金属的重量，破坏焊缝成形，易焊穿。7、固液态转变时无颜色变化，焊接时掌握加热温度很困难。二、TIG焊接设备及工艺发展及现状铝合金焊接早期主要采用气焊，由于气焊接头质量差、焊件变形大、生产效率低，目前已几乎不用。六十年代，随着铝合金得到越来越广泛的应用，铝合金的焊接技术也得到飞速发展，先后出现了MIG焊、TIG焊、等离子弧焊、电子束焊及激光焊。现又发明了FSW，Laser hy
3、brid welding。TIG焊方法由于其独特的优点已成为工业生产中铝合金焊接的主要方法之一。近几十年来，TIG焊方法得到快速发展。人们先后研究了直流钨极接正（DCEP）TIG焊、直流钨极接负（DCEN）TIG焊、直流脉冲TIG焊、正弦波交流TIG焊、方波交流TIG焊，变极性TIG焊等。1、直流钨极接负（DCEN）TIG焊直流钨极接负（DCEN）TIG焊，在美国很早就应用于实际焊接中。用这种方法焊接时，钨极接负，钨作为热阴极，发射电子容易，阴极斑点稳定，电弧集中在钨极端部，铝作为阳极，电弧有寻找纯金属的特性，因而可以获得窄而深的焊缝，母材的收缩应力和变形都小。同时钨极作为负极，发射电子有冷却
4、作用，可以承受很大的电流而不被烧损变形，长时期保持钨极端部形状的稳定性，易于获得性能一致的焊接接头。但是DCEN TIG焊方法没有阴极雾化作用，焊前需要用机械的办法除掉焊接处的氧化膜，并且要有良好的气体保护，防止再次被氧化。在美国氦气资源比较丰富，氦气作为单原子气体，原子量小，易于扩散，导致电弧收缩，电弧能量高，用氦气DCEN TIG焊方法焊接铝合金材料时，铝合金表面的氧化膜被高温熔化破坏，可以实现自动清除氧化膜，方便地获得优质的焊缝，但是我国氦气资源很少，使这种方法受到限制。2、直流钨极接正（DCEP）TIG焊为了彻底清除铝合金焊接接头处难熔的氧化膜，人们进行了铝合金的直流钨极接正（DCEP
5、）TIG焊的研究。DCEP TIG焊时，铝合金表面阴极斑点能量密度高，受到质量很大的正离子的撞击，使表面氧化膜破碎蒸发被清除掉，并且氧化膜的电子逸出功小，电弧阴极斑点容易在它上面建立，即电弧自动寻找氧化膜，因而在被焊的铝合金试件上形成比熔化区宽的阴极清理区，焊缝表面光亮美洁。但是DCEP TIG焊时，由于电弧寻找氧化膜，电弧能量不集中，只能获得浅而宽的焊缝。另外，DCEP焊时，钨极接正，钨极温度很高，容易烧损变形，使焊接质量不稳定，同样直径的钨极只能承受小的电流，从而使这种方法的应用受到限制。3、正弦波交流TIG焊为了既能发挥阴极雾化作用，自动去除铝合金表面的氧化膜，又能减少钨极烧损，在较大的
6、电流下焊接，人们又研究了交流TIG焊接方法。交流TIG综合了两种焊接方法的优点，钨极接正半波，发挥阴极雾化作用去除铝合金表面的氧化膜，钨极接负半波，加热工件，减少钨极烧损。但是早期的交流焊接电源采用工频正弦波交流，其电流、电压波形如图1所示，电弧电流每秒钟有100次过零点，每次过零时，熄弧时间很长，电弧再引燃变得很困难，电弧的稳定性很差，这就要求焊接电源的空载电压很高，并且需稳弧脉冲，如图2所示。另外正弦波交流TIG焊时，钨极为正与钨极为负的时间相等，不能调节，致使钨极为正的时间过长，阴极雾化区过宽，钨极烧损仍然很严重。二(a) 波形图 (b) 焊接回路Uo -电源电压 Ua -电弧电压 Ia
7、 -电弧电流图1 正弦波交流焊电弧电流、电压波形图1。2 正弦波交流TIG焊稳弧脉冲4、方波交流TIG焊正弦波交流TIG焊由于电弧过零时，反向电流的上升速度慢，熄弧时间长，电弧空间消离作用明显，所以需要很高的再引燃电压才能使电弧稳定燃烧。针对这一情况，人们提出如果提高电弧电流过零时的反向电流的上升速度，借助电弧的热惯性，使再引燃时电弧空间保持较高的电离度，则所需要的再引燃电压下降，使交流电弧的稳定性提高。正是基于这一思路，人们发明了方波交流TIG焊，其典型电流波形如图3tn-钨极为负半波时间 tp-钨极为正半波时间 I-焊接电流图3 方波交流TIG焊焊接电流示意图E-雾化区宽度 W-焊缝熔宽
8、D-焊缝熔深 Dw-钨极端部直径图4 Mk对焊缝成形和钨极烧损的影响如果用Mk表示钨极为负半波时间与整个周期比例，则可以表示为：100% 图4给出了Mk的变化对焊缝成形和钨极烧损的影响。由图可见，在同样的焊接电流下，随着Mk的增加，雾化区宽度和焊接宽度减少，焊缝的熔深增加，逐步呈现出直流正接电弧的特性。但即使Mk变到80%以上还有一定的清理作用，可以得到光亮致密的焊缝。钨极的烧损随Mk的增加而减少。选Mk=60%或80%焊接时，不仅能保证满意的阴极清理作用，而且能使钨极烧损接近直流正接焊时的水平。根据方波电流的获得原理，目前方波交流弧焊电源主要分为两种7。一种是晶闸管加直流电抗器式，以美国MI
9、LLER公司研制的SYCROWAVE焊机为典型代表，另一种是在直流弧焊电源后加H型逆变器的逆变式。下面将对这两种电源加以介绍。（1）、晶闸管加直流电抗器式8-10晶闸管加直流电抗器式方波交流电源主电路原理图如图5(a)所示，其工作原理如下：图 5(a) 可控硅方波交流电源示意图图 5(b) 波形变换图如图5所示，其主电路由4个晶闸管和一个电感组成。控制SCR1、SCR4和SCR2、SCR3两组可控硅的轮流导通和关断，将正弦波交流电切变成矩形波交流电。见图5(b)，假定t1时刻触发脉冲使可控硅SCR1、SCR4触发导通，负载上有电流通过。在t1、t2期间，因为u0uf，所以di/dt0，电感上流
10、过的电流i(即电弧电流if)增加，但电感对电流的增加有阻碍作用，因而电流增加变化缓慢。到t2时刻，u0=uf，di/dt=0，电流到达转折点，在t2、t3期间，u0 uf ，di/dt0，电流将减少，这时电抗器将阻止电流减小，它释放能量产生感应电动势使SCR1、SCR4仍承受正向电压继续导通。在t3、t4期间，虽然SCR2、SCR3都承受正向电压，但由于没有触发脉冲使其不能导通。在u0为负半波的t4时刻，触发脉冲使SCR2、SCR3都导通，使SCR1、SCR4承受反向电压而关断。负载电流if将从SCR1、SCR4上转移到SCR2和SCR3上，在t4、t5期间，电抗器储存能量，而t5、t7期间电
11、抗器释放能量，SCR2、SCR3导通到t7时刻。这样，如此循环下去，则形成整个方波交流电源的工作过程。通过电流负反馈实现恒流调节，改变给定电压大小可调节导通期间的电流幅值，改变两组可控硅控制角的比值，可实现正负半波通电时间的调节。（2）、直流弧焊电源后加H型逆变器式直流弧焊电源后加H型逆变器式方波交流电源原理图如图6所示，其中直流弧焊电源可以是下降特性的晶体管式、场效应管式或IGBT式直流弧焊电源，其后连接的H型逆变器，由四只功率开关管及其驱动电路构成。图 6 直流弧焊电源后加H型逆变器式方波交流电源原理图 图 7(a)电压波形图 图 7(b)电流波形图7 方波交流弧焊电源典型输出电流和电压波
12、形直流弧焊电源后加H型逆变器式方波交流电源工作原理如下：当K1和K3触发导通，K2和K4关断时，直流弧焊电源经K1、K3向电弧提供反极性电流；当K2和K4触发导通，K1和K3关断时，直流弧焊电源经K2、K4向电弧提供正极性电流；控制K1和K3及K2和K4两组开关轮流导通的导通时间及相对比例就可使电弧获得频率可变，不同极性电流比例可调的方波交流电流。方波交流弧焊电源的空载电压和焊接电流的调节是通过改变前级恒流源的空载电压和焊接电流来实现的。方波交流弧焊逆变电源典型输出电流和电压波形如图7(a)和7(b)所示： （1）、电流过零速度电抗器式，一般交流经过记忆电抗器，使正弦波畸变得到方波交流，输出的
13、电流不是真正的方波，交流电流过零的时间较慢，电源输出的电流在极性转变时的上升速度与可控硅的开关特性和直流电抗器的电感值有关，典型值为110A/100uS，必须在一定的焊接电流值以上才能实现不用专用的稳弧装置。逆变桥式，直流源经开关元件交替导通向电弧提供正负半波电流。由于开关速度快，其电流在极性转变时的上升速度很高，可达100A/20uS以上，电源在较低空载电压（30V）、较小电流（15A）情况下也能满意地进行铝合金的TIG焊。（2）、正负半波电流时间比率Mk的调节范围电抗器式方波交流电源由于电路结构所限，正负半波不对称产生的直流分量对变压器不利，当正负半波电流选的较大时，焊机的负载持续率下降，
14、这对Mk的变化范围有一定的限制。一般为40%-60%，当为60%时，焊机的负载持续率只有30%。而逆变桥式直流分量对电源不产生不利影响，Mk的值可由10%调到90%以上。（3）、效率 逆变式由于没有工频大变压器，损耗降低，效率提高。（4）、体积 逆变桥式由于去除了工频变压器，体积要小得多。（5）、噪声 电抗器式由于电流波形较平滑，噪声较小，而逆变式由于方波含有高次谐波，噪声很大。为减小噪声，一般把电流频率控制在100Hz以下低频范围内进行焊接。5变极性TIG焊变极性TIG焊t nt pDCENDCEPI nI ptII pDCEP半波电流幅值I nDCEN半波电流幅值t nDCEN半波时间t
15、pDCEP半波时间图 8 变极性电源典型电流波形也是一种交流焊接工艺。变极性TIG焊电源是近十几年才发展起来的一种新型电源。由于方波交流电源正负半波电流幅值不可调，人们开始采用幅值和时间都可调的不对称方波焊接电流波形，以最大限度地减少钨极接正的时间和增大正负半波电流幅值的比值，在保证与方波交流电源相同的阴极清理作用的条件下使钨极的损耗明显减少，这就是变极性焊接工艺。其典型输出电流波形如图8所示。变极性电源的具有如下特点：（1） 电弧较为稳定，电流过零点时重新引弧容易。（2） 通过调节正负半波时间比、幅值比，在保证阴极雾化作用的前提下，最大限度地减少钨极为正的时间，使电弧特点向直流钨极接负靠近，
16、从而获得最佳的熔深，提高生产率和延长钨极的寿命。（3） 由于采用电子技术控制，可以方便地改变电弧形态，电弧作用力及对母材的热输入量，控制熔深及正反面成形。（4） 它与脉冲焊有类似的特点，可细化晶粒，提高焊接接头性能。（5） 采用IGBT作为逆变元件，提高了电源输出电流在极性转变时的上升速度，对改善交流电弧的稳定燃烧非常有利。 三、逆变式弧焊电源的发展及现状焊接是机械加工的主要方式之一，世界上钢产量有一半以上是经焊接工艺加工才成为工业产品的，而焊接工艺是依靠焊接电源(设备)来实现的。随着科学技术的不断发展，特别是微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，弧焊电源不断融人相关学科的
17、先进成果，从早期机械控制型弧焊电源，发展电磁控制型弧焊电源，然后到今天电子控制型弧焊电源随着技术的进步，特别是电力电子的不断发展，主要是电力电子器件的不断更新换代，电路拓扑结构的不断变化，控制技术的不断发展，为弧焊电源的更新换代提供了保证由于自关断功率器件不断完善和逆变技术的广泛应用，使得新一代弧焊电源具有高效节能、轻巧省料、便于控制、性能优越等特点，而且，由于开关频率的不断提高，也使得新一代弧焊电源在消除网侧电流谐波、改善网侧功率因数、逆变输出波形控制、提高电能利用率、降低原材料损耗以及提高系统的动态响应性能方面都得到很大的发展。1972年，美国首先研制出一台300A晶闸管弧焊逆变器但由于晶
18、闸管属于半控器件，需加辅助电路才能将其关断，加上其开关频率不高，没有得到广泛推广应用。到了80年代，由于电力电子技术的发展，特别是各种各样的自关断器件不断涌现，自关断器件性能的不断完善和价格不断下降，给弧焊电源更新换代创造了条件。弧焊逆变器从晶体管弧焊逆变器，发展到场效应管弧焊逆变器，然后发展到IGBT弧焊逆变器。弧焊逆变器在80年代商品化后，得到迅猛的发展，所有国际上焊接设备制造公司，如瑞典ESAB公司，日本大饭变压器公司，美国MILLER公司等等，都大力开发、研制、生产弧焊逆变器。目前，弧焊逆变器已成为国际上焊接设备的主流产品。从代表世界上先进水平的德国埃森国际焊接与切割博览会上就可看到，
19、弧焊逆变器比例逐年增多，到近年，几乎成了弧焊逆变器的海洋。此外，由于功率因数校正器的应用、使得弧程逆变器网侧波形因数和畸变因数大为改善。网侧输入电流波形接近正弦波，使得弧焊逆变器功率因数接近l；而智能控制技术在弧焊逆变器及焊接过程的应用，在一定程度上使得弧焊过程这种非线性、强耦合、多因素影响系统的控制水平有了很大的提高，各种各样的智能弧焊电源的不断出现等等，使得弧焊电源水平又上了一个新的台阶。在我国，从理论和实际应用等方面，对弧焊逆变器进行了研究与开发，取得了一定的成绩目前我国已有上百个生产弧焊逆变器的厂家，我国目前生产的逆变焊机种类繁多，TIG弧焊逆变器和CO2弧焊逆变器、MIG、MAG弧焊
20、逆变器都有。弧焊逆变器的容量也与国外相当，弧焊电源在50630A电流范围内，但性能和可靠性方面与外国产品存在差距，弧焊逆变器由于其节能省材，轻巧灵便、性能良好，效率和功率因数高，是我国目前大力提倡的更新换代产品，研制、开发性能良好、可靠性高弧焊逆变器将带来显著的经济效益和社会效益目前，我国的弧焊逆变器普遍存在可靠性差，返修率高等问题这固然与弧焊逆变器工作条件恶劣，要求较高的可靠性和环境适应性，并且以焊接电弧作为负载，从开路到短路其变化范围极大，焊接电流调节范围又要求很宽，因而实现起来有很多困难。但另一方面，片面追求过高开关频率、高频变压器磁心面积过小以及变压器绕组通风散热不佳，和对高频电路（几
21、十KHZ）干扰认识不够，调试过程中对分布参数电路认识不足也有很大的关系。过高开关频率负面影响是，开关损耗增大，并且开关损耗随频率增加而线性增加，开关损耗增加导致给温度增加，使得功率器件电流、电压容量不能在额定条件下运行。过高开关频率，使得电路中的分布电容和分布电感对电路影响更大，感性负载关断时的尖峰电压，以及容性负载开通时尖峰电流，都会使功率器件开关轨迹恶化。在高频状态下，功率器件本身的极间电容成为重要的参数，尤其对MOSFET、IGBT这些类型的器件来说，由于采用门极绝缘栅结构，其极间电容较大，因此引起的能量损耗和密勒效应更为严重。在高电压下开通，lZCU的电容能量储能被器件本身吸收和耗散，
22、温升增加，电容电压转换时，dVdt会耦合到驱动信号中，产生干扰，在器件关断时产生小尖峰，严重时会产生误导通，使系统不稳定。另外，如果开关频率接近分布电容和分布电感谐振频率时，形成电路振荡也会干扰正常工作。过高开关频率也会使得限制开通时的关断时等串联或并联缓冲电路很难选择。此外，变压器等磁性元件的铜损和铁损也大为增加，易使变压器饱和。另外，电路中，电感、电容和电阻不一定是线性器件，随着频率的增加其特性也会变化，导致电路工作状况恶化同样，高频变压器磁心面积过小会导致其发热、而绕组通风散热不佳同样导致变压器发热，容易损坏对高频电路认识不够，抗干扰措施不够也是逆变弧焊电源可靠性不高一个方面。在功率变换
23、电路中，功率器件作为功率电阀，性能各异。功率器件在高电压阻断和大电流导通的双稳态方面是一致的，如果仅仅了解它们的“通态电阻近似为零、断态电阻可视为无穷大”以此来分析电路的基本波形、设计宏观参数是可以的；但是对于实际工作情况，尤其是分析它们的失效机制或损坏机理，以采取合理的保护措施来说，还必须深入了解这些功率器件的不同开关原理和工作特点。另外，在20kHZ频率时，系统、线路和负载的各种等效阻抗和低频时差别很大，并且在较高的开关频率下，电阻、电容、布线的电感都起作用，系统能量分布很容易改变，或者局部产生振荡，或者在某个幅值段或某个频率产生振荡所有这些，在低频时是不必过多考虑的弧焊逆变器是和电力电子
24、技术密切相关的一种设备，可以说，电力电子技术发展影响弧焊逆变器每一个方面，以下从几方面分析弧焊逆变器发展趋势： 1）从电力电子技术发展分析由于弧焊逆变器中核心器件是功率开关器件，功率开关器件不断发展和完善为弧焊逆变器的更新换代提供了保证当前，功率开关器件正朝着高压大容量化、集成化、全控化、高频化和多功能化、智能化方向发展按照其功能和结构特点，根据其发展顺序，功率开关器件可分为不控和半控器件、全控器件及功率集成电路三大类，不控器件和半控器件包括硅整流管，晶闸管；全控器件主要有电力晶体管 、场效应管 、静电感应晶体管、可关断晶闸管、静电感应晶闸管、绝缘栅门极晶体管等；功率集成电路主要有智能功率集成
25、电路 Smart Power，高压集成电路 HVIC等等；每个新型电力电子器件的应用，都会为弧焊逆变器带来革新。在传统的晶闸管弧焊电源中其控制周期由于受到晶闸管的限制，最短的控制周期也只有33ms，而在现在20KHz的焊逆变器中，其控制周期缩短为50um，这使得弧焊逆变器有很高的动态响应。弧焊逆变器中大量使用磁性器件，比如各种各样变压器、电抗器、电流互感器、滤波或谐振电感等，它们对电路性能有重要的影响弧焊逆变器发展的方向是高频化、高效率和高功率密度由于功率开关器件性能的改善，以及采用新的控制方法，比如软开关控制方法，使得弧焊逆变器开关损耗大为下降因此，降低高频变压器和其它磁性器件的损耗，已成为
26、提高弧焊逆变器效率的一个主要因素。目前的磁性元件难以适应这一发展趋势，其典型问题有滤波电感在高频时损耗，高频变压器的磁滞损耗等等，不解决磁性元件的高频损耗问题，就谈不上弧焊变器的高频化、高效率和高功率密度。总体而言，对磁性材料要求是具有宽的温度范围，高频损耗小，矫顽力低，导磁率高。目前，在20KH左右的弧焊逆变器中，一般采用铁氧体磁性材料作为变压器的磁心。铁氧体的电阻率高，其高频损耗小。但它的饱和磁感应强度太低，所以磁心面积需要较大，且铁氧体是压铸而成的，具有易脆性，采用适当措施，可以满足一定的要求。但制造大规格磁心有一定的困难非晶态合金是近年发展起来的新材料在其结构中，位错的迁移性很低：没有
27、晶界；无各向异性；无阻止磁畴运动的障碍；易磁化，其滋感应强度高；电阻率大，对涡流阻力大，桥顽力小，能耗低。另外，非晶态合金兼有电阻率高和炮和磁感应强度大的优点，高频损耗小，导磁不导电，因此，它是高频弧焊逆变器较为理想的磁性材料 目前，美国和日本在非晶态合金的生产和使用方面处于领先地位，我国已形成了一定的生产能力。所以，在进一步提高铁氧体的生产能力基础上，也应逐渐使用非晶态合金，以进一步减小弧焊逆变器的体积和重量，降低能耗，提高效率近期国内外在非晶态合金的基础上，经过处理，使其变成微晶合金软磁材料，其性能比非晶态合金更高，更适合制作弧焊逆变器变压器和电抗器。各种各样的软开关技术的采用，消除了换流
28、过程中的开关损耗，降低了电磁干扰和射频干扰，提高逆变弧焊电源的可靠性，这是目前弧焊逆变器研究中的热点PWM（脉宽调制）控制电路简单、完善、可靠（已有各种各样集成电路），功率器开关频率恒定，输人到输出的传输比与负载无关，电压和电流容易实现大范围的无级调节，以得到各种各样的电气特性来满足焊接要求。PWM电路这些优越的性能，使得现代弧焊逆变器广泛采用PWM控制方式。但是在常规PWM电路中，由于功率器件是以强迫开关（硬开关）方式工作的，即是在高电压开通，大电流下关断，这样功率器件不可避免承受开通时的电流冲击、关断时漏感储能所引起的尖峰电压，这些都会危及到功率器件的安全性另外较大的didt与dudt本身
29、就是一个巨大的干扰源，不仅对自身控制电路产生干扰，而且对其他周围电器也产生较大的干扰。此外，高电压和电流重叠过程产生了可观的开关损耗，整个损耗随着频率增加而增加，是影响PWM开关频率提高的主要因素。为了使逆变器安全可靠地工作，必须设置各式各样的缓冲电路，而缓冲电路的设计需要凭借设计人员的经验和技巧，精心选择，选择不好，会对主电路性能造成恶劣的影响。近年，国际和国内科研人员对软开关电路拓扑结构以及控制技术等进行了广泛的探讨和深入的研究，产生一系列很有应用前景的交换电路。这些电路的研究都在上述某些方面有所突破，从而给人们展示软开关技术在逆变器中应用的广阔前景，代表当今逆变技术的发展方向这些技术的进
30、一步完善发展和实用化，将为实现较理想高功率密度、低开关损耗、低电磁干扰和噪声以及良好动态品质的逆变器打下坚实的基础。软开关的特点是功率器件在本电压或零电流条件下自然开通或关断从本质上克服硬开关电路的缺点，在较大程度上解决功率器件开关损耗过大的问题，并降低功率器件dudt和didt，减少电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），降低了变换器的重量，减少电路中变压器、电感、电容的体积，降低输出纹波，提高了功率密度，提高系统动态性能。因此，软开关技术在弧焊逆变器中的应用，会使得弧焊电源的水平又上一个新的台阶。目前，各国学者对软开关电路拓扑结构以及控制技术等进行了广泛的探讨和深入的研究，取得了不少的成果
31、和突破，从而给人们展示软开关技术的广阔应用前景，也为应用在功率弧焊逆变器领域打下了一定的基础。但是，由于弧焊逆变器工作有其本身的特点，主要是常常工作在空载一短路，短路一负载、负载一短路等状态虽然目前已有各种各样的软开关拓扑电路，但还存在一些问题比如软开关工作范围不够宽，器件电压、电流应力过大等等。因此，要将零电压和零电流软开关技术广泛应用于逆变弧焊电源领域，还需解决以上问题。四焊接电弧物理研究的发展及现状 电弧是气体放电的一种形式。1885年，俄国人eap发明的碳极电弧可看作是电弧作为工业热源的创始，并由此导致了电弧焊工艺的广泛应用。与一般电弧相比较，焊接电弧过程的一个基本特征是具有显著的“电
32、极效应”。即电极既是产热机构，又可以是焊接填充材料或熔池金属。同时，构成电弧气氛的不仅是保护气体成分，而且还包括了电板材料产生的金属蒸气。因此，对于焊接电弧的研究，其内容不仅包括了一般电弧放电的各种现象，重要的是需要认识焊接电弧过程本身具有的特点。然而，由于存在众多因素的影响，尽管电弧焊的应用已如此广泛，但对于焊接电弧物理过程及其基本性质的认识却仍是相当有限的。所以，如何更有效地利用电弧，并实现对焊接电弧过程的接制，一直是焊接研究者和工程界人士孜孜以求的目标。对以往焊接电弧物理方面的研究成果。在两本有代表性的著作中已作了很好的总结，即安藤弘平、长谷川光雄合著的“焊接电弧现象”和J.F.Lanc
33、aster的“The Physics of Welding”。前者着重于对焊接电弧现象和过程的观测；后者则在数学和物理方法上增强了焊接电弧的理论基础。所有这些工作，在电弧等离子体（弧柱物理）和电极现象（阴、阳板机构、熔滴过渡）两个方面，建立起对焊接电弧过程的认识。其意义在于：在基本原理的研究和分析上，揭示了焊接电弧过程中的电、热、力的效应。提出了关于焊接电弧的温度、密度、化学动力学和热力学状态等重要的理论问题。同时指出了定量描述各物理参量及其相互联系的途径。对在实验和应用方面，通过借鉴近代物理实验研究的成果，提供了观测各种焊接电弧过程的方法和技术。从而不断地丰富了电弧焊方法的工艺理论，促进了电
34、弧焊接生产水平的提高。以往的研究工作，也为人们在新的认识层次上研究焊接电弧过程提供了基础和经验。作为焊接电弧物理过程的一个重要组成部分，焊接电弧的弧柱区包含着十分重要的内容。电弧的温度效应和辐射现象、质量迁移和能量输运过程、冶金反应等都是在这一区域实现的。因此，从电弧物理意义上，它是以环境”和”媒介”的方式决定着电极的热与力的状态。而从实际应用的意义上，这一中间环节为电弧焊生产过程的控制提供了一个重要途径。同时，焊接电弧等离子体为等离子体应用的一个分支，在状态的多样和复杂性上具有相当的代表性从这认识角度，加强对焊接电弧等离子体的研究，在理论和实际应用上都具有十分重要的意义。等离子体内部的各种组
35、分（包括各种分子、原子、离子、电子、光子等）之间经历着复杂的质量和能量的输运过程和各种相互作用（包括各种粒子间、电磁场与等离子体间等）。同时伴有各种形式的辐射。要直接得到其内部的状态及各种运动过程的参数，至今仍难以实现。对于通常实验室及工业部门应用的电弧等离子体，由于其几何尺度较小且粒子密度较大，一般使用的是非接触式的诊断技术如激光干涉法、光谱法等。而对于复杂成分的焊接电弧等离子体，激光干涉法在理论计算上出现了困难。众多的未知成分及其空间分布形式，使焊接电弧等离子体的折射率和粒子密度的关系无法确定。这样，光谱诊断法就几乎成为唯一适用和可行的方法。光谱诊断法是通过对等离子体辐射的测量，在一定的理
36、论模型下，建立起辐射量与等离子体内部各参数之间的定量关系，从而获得关于等离子体中各组分的温度、密度等物理参数。所以，这一方法的本身包括了测量技术和测量结果的理论分析两个方面。正确地设计和实施实验，并与理论模型有效地配合，成为这项研究工作的关键。光谱诊断法在实验技术上有以下三个特点： （1）在测量中对等离子体时不产生任何干扰，也不受被测体电、磁场的影响。（2）从电弧的辐射光谱中，可以同时接受到关于被测体状态的丰富内容。使焊接电弧等离子体各物理参数的定量求解成为可能，克服了激光干涉诊断的困难。（3）如采用适当的探测器件，可获得较高的时间和空间分辩率。等离子体的光谱研究起源于原子物理和天体物理学。这
37、两个物理学分支在原子的理论模型、原子过程的统计方法以及原子光谱分析等方面，为等离子体光谱学奠定了基础，以电弧等离子体为对象的定量光谱诊断，从时间的发展上大致可以分为三个阶段：最初的研究工作开始于五十年代初期。德国科学家Maecker、 FinkCinberg等借用天体物理的光谱测量方法，即从离子谱线的强度上推断了几种形式电弧（水或气稳、壁稳、自由燃烧电弧）的温度范围。将定量光谱法运用到电弧等离子体的诊断中。在这之后，各种研究工作相续得到开展。自六十年代以来，Griem 、Lochte Holtgreven 、Richter等从量子理论和统计力学角度，系统地阐述了定量光谱测试的理论。提供了关于原
38、子（和离子）跃迁几率、谱线强度、展宽和位移等详细的资料，给出了理论模型选择的实用判据以及各种诊断方法的应用实例从而使等离子体光谱诊断法在理论和实验上都日趋成熟。同时，随着电弧等离子体技术在工业和科研部门的广泛应用，对各种电弧过程及物理性质的研究也迅速铺开。有代表性的工作如“Olsen”等，利用氩保护气氛下钨极或碳极电弧在水冷铜板上的稳定过程，在充气电弧室中对该类电弧的辐射性质（发射系数、吸收系数）、输送性质（热导率、电导率、扩散系数）和热力学性质（温度、密度）等作了测定和计算。近年来，光谱诊断在测试装置和实验技术上有了较大的改善。计算机控制的光电直读式诊断装置（如 OMA，OSA等）和一些专用
39、设备的出现不仅提高了光谱诊断法在时间与空间上的分辨率，而且提高了数据处理能力与实验测量的精度。为各种焊接电弧过程的光谱诊断提供了有利条件。同时，也出现了一些令人瞩目的应用性研究课题。例如，对焊接电弧气氛成分的实时监测。利用焊接区辐射光谱作为视觉跟踪传感信号，电弧等离子体喷焊过程粒子加热环境的研究等，大大增强了光谱诊断研究的实用意义。在我国，自六十年代以来，也陆续出现了一定数量的关于等离子体喷焰和电弧等离子体光谱诊断的文献报导。王鸿章、耶德森等成为我国在这一领域的最早开拓者随着高温热源的推广和应用，中科院力学所、等离子体所、清华大学等单位均建立了专门的光谱诊断实验室。在理论和实验技术上取得了一定
40、进展天津大学焊接教研室于 1979年起开始了焊接电弧等离子体光谱诊断的研究计划。鉴于这一研究计划在焊接电弧理论和工程应用中的重要意义，得到了国家教委和国家自然科学基金的资助。5焊接熔池行为研究的发展及现状 电弧焊过程中，焊接熔池中的流体流动过程及焊接接头的传热过程，是影响接头质量和生产率的主要因素之一，具体体现在以下几个方面：（1）焊接冶金方面：焊接熔池中的流体流动及传热过程，决定着焊缝的组织和性能。例如：熔池中所发生的一切物理化学反应、固液相变、气体的吸收、聚集及逸出、化学成分偏析、热裂纹的萌生及发展、焊道的成形等都受控于焊接的传热与传质过程。此外，焊接热影响区所经历的热循环，控制着固态相变
41、的进行，进而影响着其组织及性能。（2）焊接力学方面：焊接接头所经历的不均匀加热和冷却而产生的动态应力应变过程及随后出现的残余应力和应变，严重影响焊接结构的使用性能。（3）焊接质量控制方面：焊接机器人和焊接质量计算机控制系统，都需要建立焊接规范参数与熔池几何形状、过程热参数之间的数学模型。 因此，通过实验或理论的方法获得焊接熔池流体流动及传热过程的动态信息，一直是焊接学科的前沿课题之一。由于焊接熔地尺寸小、温度高以及弧光的干扰，实验检测熔池中的流场与热场相当困难。而数值模拟的方法，为我们定量地描述焊接熔池中流体流动及传热过程，深入理解焊接过程中所发生的复杂现象及本质提供了必要而实用的手段间。事实
42、上，近十多年来，焊接熔地流场与热场数值模拟的研究工作取得了较大进展，这一方面是由于工业生产对高质量焊接接头的需求，另一方面也是由于计算设备、软件包及计算流体动力学的发展起到了推动作用。同时，可靠的数学模型的建立不仅在解释实验现象和指导实验设计中起着重要作用，而且在过程控制及过程自动化中起着关键作用，这是因为用于实时的控制模型在计算上必须相对简单，而且必须通过反映焊接过程现象与本质的较复杂的数学模型对控制模型进行标定。六十年代中期开始，熔池中液态金属在表面张力梯度、电磁力等力的作用下发生剧烈运动的概念逐渐被人们接受。1983年，MIT的GMOreper首次对熔地中流体在表面张力梯度、电磁力和浮力
43、的共同作用下所产生的流动及传热过程建立了数学模型，从此，熔地中流体流动及传热过程的数值模拟受到了普遍的关注，并取得了很大进展。由于电弧焊是一个非常复杂的过程，它将在一个很窄的区域内发生剧烈的物理及化学反应、相变、以及机械性能的变化，因此对焊接过程建立数学模型并非易事。早期的数学模型中，为简化问题，都作了较多的简化假设，例如予先给定熔池形状、熔地自由表面不发生变形、电弧固定不动、以及三维问题的二维简化等等，使得这些模型与实际焊接过程仍有一定差距。直到1988年TZacharia等人建立的数学模型松驰了上述简化假设，使其模型能够较真实地反映熔他的特征。十多年来，TIG焊接熔池流场与热场数值模拟的研
44、究内容，可归纳为以下几个主要方面：熔池中流体流动的驱动力及其作用，为了对焊接熔池中传热与传质过程建立数学模型，首先必须考察熔池中流体流动受哪些力驱动，各驱动力是如何作用的。为此各国研究者进行了大量的数值模拟工作。由于TIG焊接无须考虑熔滴过渡及其所发生的物理化学反应，使过程简化，因此理论及实验研究多是针对TIG焊接的。研究表明，TIG焊接时，熔地中流体的流动主要受四种力的驱动，即表面张力梯度、电磁力、浮力和气体剪切力。表面张力及表面张力梯度，是由于熔池表面温度梯度及可能存在于熔池中的表面活性元素（如S、O、Se）所产生。表面张力梯度驱使表面的流体分子沿表面张力增加的方向流动。表面张力梯度是熔池
45、中流体流动的主要驱动力，其符号及大小决定了熔池中流体流动的方向，进而影响着熔池内的温度分布及熔合区形状。当表面张力温度系数为负值时，熔池表面产生一个向外的流动，形成宽而浅的熔池。为正值时，熔他表面则产生一个向内的流动，形成窄而深的熔池。当随温度的变化而改变符号时，熔池表面就出现了双涡流现象。电磁力（洛仑兹力）是熔池中发散的电流与自感应磁场间相互作用而产生的。电磁力对熔池中流体流动的影响仅次于表面张力梯度，它推动熔池中流体在蒋池中心处向下运动，然后沿熔合线返回熔池表面，在熔池表面沿径向由熔地边缘向中心流动，使电弧热被传送到熔池底部以形成深的焊缝。浮力是由于熔池中存在着温度梯度或成分梯度使得液态金
46、属的密度发生了变化而产生的。在浮力作用下，熔池中过热的液态金属将上升至表面，较冷的液态金属被推到底部。与表面张力梯度及电磁力对流体流动的作用相比，浮力的作用最小甚至可以被忽略。气体剪切力是由于电弧等离子流作用于熔池表面所产生的，它推动液态金属在熔池表面沿径向向外流动。与对表面张力梯度及电磁力的研究相比，研究气体剪切力对熔池中流体流动影响的较少，大多数的数学模型均只考虑表面张力梯度、电磁力和浮力的作用，这可能是由于计算这三种力时只需对熔池建立模型即可，而要计算气体剪切力，则必须同时对焊接电弧进行模拟，然而目前考虑电弧及熔池相互作用的数学模型还很少。对气体剪切力的研究结果表明，在短电弧或小电流（2
47、00A）时，气体剪切力对流体流动的影响比表面张力梯度对流动的影响要小得多，因此大多数模型中忽略气体剪切力的作用并没有造成大的误差。然而在长电弧或大电流（300A）时，气体剪切力对流体流动产生较大影响，将驱动流体沿熔池表面径向向外运动，形成宽而浅的熔深。上述这些研究是针对固定电弧TIG焊接、不锈铝材料进行的，其结论能否推广至一般，还有待于进一步研究。 TIG焊接过程中，电弧等离子体中的粒子撞击在熔池的自由表面上，既作为分布热源提供热能，又作为空间非均匀分布电流源穿透熔他。由于阴极区（钨极）的电流密度比阳极区（工件）大，因此阴极区存在较大的气体压力，从而导致了等离子流从阴极区向阳极区的运动，在熔池
48、表面产生了电弧压力，熔他表面在电弧压力的作用下，将发生变形及波动。理论计算和实验测试表明，当焊接电流在100A800A时，电弧压力随电流的增大呈抛物线型增大。在TIG焊接时，当焊接电流不大于200A时，电弧压力很小，熔池表面变形很小，且对熔池形状几乎不产生影响，当焊接电流大于300A时，熔池表面下凹，并影响熔他形状。 在研究电弧与熔池相互作用时，指出了焊接熔池的自由表面变形可能产生的几种重要影响：自由表面变形较大时，电弧自身的行为会受到熔池形状的影响，使作用于工件的热流及电流密度发生变化。其研究表明，当焊接电流为300A时，熔池表面下凹4mm，这时熔池表面的热流及电流分布将由平表面时的高斯分布改变为双峰分布，同时熔池内的流体流动形式也由于热流的双峰分布面变得很复杂。电弧等离子流与熔池的相互作用，可能会造成熔池表面波纹，表面谐振或不稳定。严重的熔他表面下陷变形，可能会使凝固时熔地上部自动封闭，而在熔池底都产生锁孔、气泡陷阱等缺陷。E.Fireman最早采用有限元方法计算了薄板固定电弧时熔池上、下表面的变形，并把求解热传导和变
