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摘要： 基于变极性TIG焊电弧的特点，在作者研发的双芯双逆变变极性TIG焊电源的基础上，设计出了一种针对变极性TIG焊的微电流短路引弧方式，将整个引弧过程分为：短路阶段、维弧阶段和电流缓升阶段。可以有效的解决变极性TIG焊在短路引弧时容易出现的钨极烧损、电流过冲等问题。并针对不同输出电源类型，不同被焊材料，进行了微电流引弧试验。试验证明：DCEN，DCEP，脉冲输出时均能实现短路电流为1～2 A的微电流稳定引弧，未出现明显的钨极烧损，引弧成功率高并且没有出现熄弧的现象。
关键词： 短路引弧； 微电流； 钨极烧损
中图分类号： TH12
Abstract： Based the characteristics of variable polarity TIG welding， founded on the doublechip doubleinverter system which researched by writer， a tiny current short arc ignition with three stages was designed， the three stages are short stage， maintain stage and current slow rising stage. The problems of tungsten weariness，current rushing etc which appears easily during short arc ignition can be solved effectively. And tiny current arc ignition experiment was carry out based on different styles of current source and welded materials. The experiments proved： the arc ignition is stable when the current is 1-2 A with the strategy of the tiny current arc ignition， as the different sources of DCEN， DCEP and pulse， without any obvious tungsten weariness and arc extinguish，and the arc ignition success rate is quite high.
Key words： short arc ignition； tiny current； tungsten weariness
0 前言
常用的TIG焊一般采用高频高压或高压脉冲等非接触引弧，可获得比较好的引弧效果；但它也具有对人体产生危害、干扰周边环境及设备等缺点，尤其是高频高压、高压脉冲在引弧时很容易造成逆变主电路中的电子元器件的破坏，据此，在使用变极性TIG焊焊接铝和铝合金时，采用短路引弧可以避免高频高压、高压脉冲对逆变电路的损坏[1]。
通常TIG焊接触短路引弧存在的问题有[2]：
（1） 短路过程中容易造成电流冲击，导致钨极烧损，会形成焊缝夹钨，使焊接质量下降。（2）接触短路时容易造成钨极表面污染，会使得钨极的电子发射能力下降，焊接过程不稳定。（3）电弧引燃时可能形成电流上冲或下冲。电流上冲过大，焊接薄板时容易烧穿；电流下冲过大容易熄弧。
而对于变极性TIG焊来说，焊接电弧可在DCEP（直流电极接正）和DCEN（直流电极接负）两种状态下工作，由于钨极和被焊工件（如铝及铝合金）在材料物理特性的差异，不同的电源极性工作状态下短路引弧的技术要求也有所不同，因此变极性TIG焊短路引弧需要采取特殊的引弧技术。
1 短路引弧技术的设计
[JP2]为保证变极性电源系统的响应速度，研发了一套数字化双芯双逆变结构的变极性TIG焊电源，其电源总体结构如图1所示，输出的方波交变电流其正负半周的电流大小、工作时间都独立可调，可优化满足以铝及其合金为典型的材料焊接需求。该逆变电源的主电路采用二次逆变结构，控制电路部分采用双DSP的双芯结构。
1.1 变极性TIG焊短路引弧策略
针对上述变极性TIG短路接触引弧可能存在的问题，要避免在短路接触过程中钨极烧损和工件熔化、导致焊缝夹钨和钨极表面污染；减小电流冲击，同时保证在变极性TIG焊的各种工作条件下引弧稳定可靠，设计了如图2所示的微电流短路引弧控制策略。该策略将变极性TIG焊引弧过程分为三个阶段，即短路阶段、维弧阶段、电流缓升阶段。
短路阶段采用微电流。与非接触式引弧不同的是短路引弧在引弧初期电极和工件之间发生接触，对于电源来说为短路过程。不同操作者由于操作习惯不同使得短路阶段的时间不同，在一定的时间范围内，要保证短路电流的加热作用不会发生钨极烧损和工件熔化。要达到上述效果短路电流值一般不能大于5 A[2-3]。
短路阶段结束后，在电极与工件分开瞬间细小的空气间隙被击穿，电弧引燃，进入维弧阶段。维弧阶段需要保持一定的电流值，加热钨极，保证引弧稳定。此时，弧柱扩张，电弧逐渐保持稳定。
引弧状态稳定后进入电流缓升阶段。电流在一定时间内缓升至工作电流（直流），避免出现电流冲击。然后再从直流工作电流转入正常变极性电源的工作电流。
1.2 引弧过程控制流程设计
要实现该变极性TIG焊微电流短路引弧策略，主要在于短路电流的控制以及短路—燃弧状态的判断[4-5]。
系统所使用的DSP最大采样频率能达到12.5 MHz，根據系统特点及需求，选择的采样频率为40 kHz，保证控制系统在引弧过程中可以快速反应。而短路—燃弧的状态是通过检测负载电压来判断的。 变极性TIG焊微电流短路引弧控制流程如图3所示，其工作过程：接通电源（按下手柄）→提前送气2 s→操作焊枪将钨极与工件短路→提起焊枪→采用电弧电压判断电弧是否引燃→若满足电弧引燃条件→维弧1 s→电流缓升→正常焊接→引弧结束。而在整个引弧过程的各个阶段中，系统都引入了数字PI控制算法对各阶段的电流进行控制，以保证对各阶段电流的精确控制，达到良好的引弧效果。
控制算法采用位置式的数字PI算法[6-7]，其计算公式如下式所示：
式中uk为第k次采样时刻的控制量输出值，ek为第k次采样时刻输入的偏差值，Kp、Ki分别为比例系数和积分系数。这种算法实际上是比例与积分作用之和，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp，Kp越大，调节作用越强；积分环节的作用是影响调节速度，减少超调量，提高系统的稳定性。选择合适的PI控制参数，就能够实现焊接过程中对电流的精确控制。该PI算法软件流程如图4所示。
2 变极性TIG焊微电流短路引弧试验
2.1 DCEN引弧
当钨极接负，工件接正时，即DCEN状态，由于阴极为钨极，属于热阴极材料，当钨极达到热发射温度时产生强烈的热发射，电子从阴极表面发射出来的同时也将热量从阴极表面带走，对阴极表面有冷却保护的作用。因此采用DCEN时钨极不易出现烧损。
图5为DCEN引弧时实测的电流电压波形，其中短路电流为2 A，维弧电流为10 A，正负极性焊接电流都为80 A，被焊材料为铝合金。在DCEN电源状态下进行了多次引弧试验，发现当短路电流在2 A以上时，均能够正常引弧，并且在引弧控制过程中电流未出现明显过冲。但由于在DCEN焊接时不能去除掉铝和铝合金表面的氧化膜，因此，试验中发现采用DCEN引弧时，在引弧处容易形成黑色斑点，所以在焊接铝和铝合金材料时，变极性TIG焊引弧一般不选择DCEN的电源状态。
2.2 DCEP引弧
当钨极接正，工件接负时，即DCEP状态，由于阴极材料熔点较低，难以形成热发射，阴极发射电子主要采用场致发射的方式，阴极表面会出现明显的阴极斑点，并且斑点会发生移动，电弧稳定性较差，形成的焊缝熔深较小。当钨极为阳极时，没有热阴极电子发射的冷却作用，阳极产热量较大，非常容易发生钨极烧损。因此，DCEP状态下接触式引弧，必须严格控制短路电流以避免钨极烧损。
图6为DCEP引弧时实测电流电压波形，其中短路电流为1 A，维弧电流为10 A，正负极性焊接电流都为50 A，被焊材料为铝合金。通过试验发现，当短路电流大于1 A以后，都能够正常引弧，并且在引弧控制过程中电流未出现明显过冲。由于DCEP阶段具有阴极清理的作用，并且还能自动的寻找氧化膜区域进行清理，因此引弧处不会出现DCEN引弧时的黑色斑点，但由于短路电流及维弧电流一般都比较小，所以阴极清理效果也不是太明显。采用DCEP引弧方式进行了多次引弧试验，试验证明当短路电流在1～3 A之间时能够有效的避免钨极烧损。并且，电弧成功引燃后，经过维弧阶段后，弧长能维持8 mm的长度。
2.3 脉冲引弧
双逆变TIG焊电源系统在实现变极性输出的同时也能实现脉冲电源的输出，脉冲电源可以扩大电流调节和输出范围，适用于焊接不锈钢薄板等需要严格控制热输入的材料。而该微电流短路引弧方式同样适用于脉冲电源，图7为DCEN脉冲电流基值40 A、峰值80 A时实测的引弧电流电压波形，其中短路电流为2 A，维弧电流为6 A，被焊材料为不锈钢。通过试验发现，当短路电流大于1 A，都能够正常引弧，并且在引弧控制过程中电流未出现明显过冲。并且，试验证明在脉冲输出时，因为电流变化相对较小，可以使用跟变极性相比更小的维弧电流。
3 结论
（1）针对传统非接触式引弧在变极性TIG焊中出现的问题，设计了一种新的微电流短路引弧法，其操作简单，控制效果优异。
（2）采用此引弧方式分别进行了变极性电源的DCEN，DCEP以及脉冲输出的引弧试验，并验证了在微电流引弧的情况下依然能够保证高引弧成功率，引弧效果稳定。
（3）不同的极性条件下采用不同的引弧短路电流，更有效地避免了在引弧阶段的钨极烧损以及电流上冲引起的薄板烧穿。
参考文献
[1] 徐禾水.TIG焊的引弧形式与应用[J].江苏机械制造与自动化， 1998（4）： 6-8.
[2] 吴宪平，夏卿坤，汪大鹏.一种逆变TIG焊机接触引弧电路的设计[J].机电产品开发与创新， 2003（4）： 21-22.
[3] 李冬青，张忠典，姜伟雁，等.钨极氩弧焊的小电流接触引弧方法[J].焊接学报， 2001， 22（5）： 69-72.
[4] 周好斌，贾昌申.单片机TIG焊自动引弧系统[J].焊接技术，1995， 24（1）： 17-19.
[5] 都东，韩赞东，张人豪，等.TIG焊提升引弧方法的研究与应用[J].焊接技术， 1997， 26（1）： 21-23.
[6] 陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PDI控制及其应用[M].北京：機械工业出版社，1998.
[7] 胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2001.
关键词： 短路引弧； 微电流； 钨极烧损
中图分类号： TH12
Abstract： Based the characteristics of variable polarity TIG welding， founded on the doublechip doubleinverter system which researched by writer， a tiny current short arc ignition with three stages was designed， the three stages are short stage， maintain stage and current slow rising stage. The problems of tungsten weariness，current rushing etc which appears easily during short arc ignition can be solved effectively. And tiny current arc ignition experiment was carry out based on different styles of current source and welded materials. The experiments proved： the arc ignition is stable when the current is 1-2 A with the strategy of the tiny current arc ignition， as the different sources of DCEN， DCEP and pulse， without any obvious tungsten weariness and arc extinguish，and the arc ignition success rate is quite high.
Key words： short arc ignition； tiny current； tungsten weariness
0 前言
常用的TIG焊一般采用高频高压或高压脉冲等非接触引弧，可获得比较好的引弧效果；但它也具有对人体产生危害、干扰周边环境及设备等缺点，尤其是高频高压、高压脉冲在引弧时很容易造成逆变主电路中的电子元器件的破坏，据此，在使用变极性TIG焊焊接铝和铝合金时，采用短路引弧可以避免高频高压、高压脉冲对逆变电路的损坏[1]。
通常TIG焊接触短路引弧存在的问题有[2]：
（1） 短路过程中容易造成电流冲击，导致钨极烧损，会形成焊缝夹钨，使焊接质量下降。（2）接触短路时容易造成钨极表面污染，会使得钨极的电子发射能力下降，焊接过程不稳定。（3）电弧引燃时可能形成电流上冲或下冲。电流上冲过大，焊接薄板时容易烧穿；电流下冲过大容易熄弧。
而对于变极性TIG焊来说，焊接电弧可在DCEP（直流电极接正）和DCEN（直流电极接负）两种状态下工作，由于钨极和被焊工件（如铝及铝合金）在材料物理特性的差异，不同的电源极性工作状态下短路引弧的技术要求也有所不同，因此变极性TIG焊短路引弧需要采取特殊的引弧技术。
1 短路引弧技术的设计
[JP2]为保证变极性电源系统的响应速度，研发了一套数字化双芯双逆变结构的变极性TIG焊电源，其电源总体结构如图1所示，输出的方波交变电流其正负半周的电流大小、工作时间都独立可调，可优化满足以铝及其合金为典型的材料焊接需求。该逆变电源的主电路采用二次逆变结构，控制电路部分采用双DSP的双芯结构。
1.1 变极性TIG焊短路引弧策略
针对上述变极性TIG短路接触引弧可能存在的问题，要避免在短路接触过程中钨极烧损和工件熔化、导致焊缝夹钨和钨极表面污染；减小电流冲击，同时保证在变极性TIG焊的各种工作条件下引弧稳定可靠，设计了如图2所示的微电流短路引弧控制策略。该策略将变极性TIG焊引弧过程分为三个阶段，即短路阶段、维弧阶段、电流缓升阶段。
短路阶段采用微电流。与非接触式引弧不同的是短路引弧在引弧初期电极和工件之间发生接触，对于电源来说为短路过程。不同操作者由于操作习惯不同使得短路阶段的时间不同，在一定的时间范围内，要保证短路电流的加热作用不会发生钨极烧损和工件熔化。要达到上述效果短路电流值一般不能大于5 A[2-3]。
短路阶段结束后，在电极与工件分开瞬间细小的空气间隙被击穿，电弧引燃，进入维弧阶段。维弧阶段需要保持一定的电流值，加热钨极，保证引弧稳定。此时，弧柱扩张，电弧逐渐保持稳定。
引弧状态稳定后进入电流缓升阶段。电流在一定时间内缓升至工作电流（直流），避免出现电流冲击。然后再从直流工作电流转入正常变极性电源的工作电流。
1.2 引弧过程控制流程设计
要实现该变极性TIG焊微电流短路引弧策略，主要在于短路电流的控制以及短路—燃弧状态的判断[4-5]。
系统所使用的DSP最大采样频率能达到12.5 MHz，根據系统特点及需求，选择的采样频率为40 kHz，保证控制系统在引弧过程中可以快速反应。而短路—燃弧的状态是通过检测负载电压来判断的。 变极性TIG焊微电流短路引弧控制流程如图3所示，其工作过程：接通电源（按下手柄）→提前送气2 s→操作焊枪将钨极与工件短路→提起焊枪→采用电弧电压判断电弧是否引燃→若满足电弧引燃条件→维弧1 s→电流缓升→正常焊接→引弧结束。而在整个引弧过程的各个阶段中，系统都引入了数字PI控制算法对各阶段的电流进行控制，以保证对各阶段电流的精确控制，达到良好的引弧效果。
控制算法采用位置式的数字PI算法[6-7]，其计算公式如下式所示：
式中uk为第k次采样时刻的控制量输出值，ek为第k次采样时刻输入的偏差值，Kp、Ki分别为比例系数和积分系数。这种算法实际上是比例与积分作用之和，比例环节的作用是对偏差瞬间做出快速反应，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp，Kp越大，调节作用越强；积分环节的作用是影响调节速度，减少超调量，提高系统的稳定性。选择合适的PI控制参数，就能够实现焊接过程中对电流的精确控制。该PI算法软件流程如图4所示。
2 变极性TIG焊微电流短路引弧试验
2.1 DCEN引弧
当钨极接负，工件接正时，即DCEN状态，由于阴极为钨极，属于热阴极材料，当钨极达到热发射温度时产生强烈的热发射，电子从阴极表面发射出来的同时也将热量从阴极表面带走，对阴极表面有冷却保护的作用。因此采用DCEN时钨极不易出现烧损。
图5为DCEN引弧时实测的电流电压波形，其中短路电流为2 A，维弧电流为10 A，正负极性焊接电流都为80 A，被焊材料为铝合金。在DCEN电源状态下进行了多次引弧试验，发现当短路电流在2 A以上时，均能够正常引弧，并且在引弧控制过程中电流未出现明显过冲。但由于在DCEN焊接时不能去除掉铝和铝合金表面的氧化膜，因此，试验中发现采用DCEN引弧时，在引弧处容易形成黑色斑点，所以在焊接铝和铝合金材料时，变极性TIG焊引弧一般不选择DCEN的电源状态。
2.2 DCEP引弧
当钨极接正，工件接负时，即DCEP状态，由于阴极材料熔点较低，难以形成热发射，阴极发射电子主要采用场致发射的方式，阴极表面会出现明显的阴极斑点，并且斑点会发生移动，电弧稳定性较差，形成的焊缝熔深较小。当钨极为阳极时，没有热阴极电子发射的冷却作用，阳极产热量较大，非常容易发生钨极烧损。因此，DCEP状态下接触式引弧，必须严格控制短路电流以避免钨极烧损。
图6为DCEP引弧时实测电流电压波形，其中短路电流为1 A，维弧电流为10 A，正负极性焊接电流都为50 A，被焊材料为铝合金。通过试验发现，当短路电流大于1 A以后，都能够正常引弧，并且在引弧控制过程中电流未出现明显过冲。由于DCEP阶段具有阴极清理的作用，并且还能自动的寻找氧化膜区域进行清理，因此引弧处不会出现DCEN引弧时的黑色斑点，但由于短路电流及维弧电流一般都比较小，所以阴极清理效果也不是太明显。采用DCEP引弧方式进行了多次引弧试验，试验证明当短路电流在1～3 A之间时能够有效的避免钨极烧损。并且，电弧成功引燃后，经过维弧阶段后，弧长能维持8 mm的长度。
2.3 脉冲引弧
双逆变TIG焊电源系统在实现变极性输出的同时也能实现脉冲电源的输出，脉冲电源可以扩大电流调节和输出范围，适用于焊接不锈钢薄板等需要严格控制热输入的材料。而该微电流短路引弧方式同样适用于脉冲电源，图7为DCEN脉冲电流基值40 A、峰值80 A时实测的引弧电流电压波形，其中短路电流为2 A，维弧电流为6 A，被焊材料为不锈钢。通过试验发现，当短路电流大于1 A，都能够正常引弧，并且在引弧控制过程中电流未出现明显过冲。并且，试验证明在脉冲输出时，因为电流变化相对较小，可以使用跟变极性相比更小的维弧电流。
3 结论
（1）针对传统非接触式引弧在变极性TIG焊中出现的问题，设计了一种新的微电流短路引弧法，其操作简单，控制效果优异。
（2）采用此引弧方式分别进行了变极性电源的DCEN，DCEP以及脉冲输出的引弧试验，并验证了在微电流引弧的情况下依然能够保证高引弧成功率，引弧效果稳定。
（3）不同的极性条件下采用不同的引弧短路电流，更有效地避免了在引弧阶段的钨极烧损以及电流上冲引起的薄板烧穿。
参考文献
[1] 徐禾水.TIG焊的引弧形式与应用[J].江苏机械制造与自动化， 1998（4）： 6-8.
[2] 吴宪平，夏卿坤，汪大鹏.一种逆变TIG焊机接触引弧电路的设计[J].机电产品开发与创新， 2003（4）： 21-22.
[3] 李冬青，张忠典，姜伟雁，等.钨极氩弧焊的小电流接触引弧方法[J].焊接学报， 2001， 22（5）： 69-72.
[4] 周好斌，贾昌申.单片机TIG焊自动引弧系统[J].焊接技术，1995， 24（1）： 17-19.
[5] 都东，韩赞东，张人豪，等.TIG焊提升引弧方法的研究与应用[J].焊接技术， 1997， 26（1）： 21-23.
[6] 陶永华，尹怡欣，葛芦生.新型PDI控制及其应用[M].北京：機械工业出版社，1998.
[7] 胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京：科学出版社，2001.