在穿孔等離子弧焊接過程中，小孔穩(wěn)定性對(duì)焊接過程的穩(wěn)定和優(yōu)質(zhì)的焊縫成形是非常關(guān)鍵的。文中采用無源探針對(duì)由等離子弧梯度電壓和等離子鞘層電壓構(gòu)成的等離子反翹(等離子云)電壓進(jìn)行檢測。
根據(jù)等離子鞘層理論，隨等離子反翹長度和角度變化的反翹電壓可以反映小孔的狀態(tài)信息及其形成、坍塌過程。文中討論了檢測信號(hào)的特征，以及材料、探針位置、焊接電流，等離子氣流等因素對(duì)檢測信號(hào)的影響。試驗(yàn)證明，該方法可以有效的預(yù)測小孔信息和焊縫熔透情況。

穿孔等離子弧焊具有等離子弧能量密度高、等離子流力大的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)中厚度材料的單面焊雙面成形。然而，焊接小孔的不穩(wěn)定性直接影響著小孔型等離子弧焊接過程穩(wěn)定性及接頭質(zhì)量，是影響該焊接方法應(yīng)用的瓶頸[ 1 ] 。因而小孔行為的檢測和實(shí)時(shí)控制的研究具有重要意義。目前國內(nèi)外對(duì)小孔行為的檢測主要采用尾焰導(dǎo)電法、尾焰光電法、正面弧光檢測法[ 2 ] 、正面圖象檢測法[ 3 ] 、聲音傳感法[ 4 ]等，但這些
檢測方法或是由于應(yīng)用條件苛刻或是由于成本過于昂貴而難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。
文中提出并研究了從等離子電弧反翹電壓信號(hào)中提取熔透穿孔信息，并設(shè)計(jì)了一套無源探針檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)直接利用電弧反翹進(jìn)行傳感，不必附加復(fù)雜的儀器設(shè)備，具有可達(dá)性，可靠性好和實(shí)用廉價(jià)的特點(diǎn)。

1 反翹電壓檢測原理和方法

采用穿孔等離子弧焊進(jìn)行焊接，在焊接小孔形成過程中，在工件的上方(與焊接方向相反)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)自熔池射出的小弧，稱它為等離子弧反翹(亦稱等離子云[ 5 ] )。隨著焊接熔深的增加，反翹的大小和傾角都會(huì)相應(yīng)的增大，在小孔即將形成的瞬間反翹達(dá)到最大。在小孔形成、穩(wěn)定存在過程中，焊接條件的微小變化和周圍干擾的存在，都會(huì)使焊接小孔尺寸發(fā)生變化。

此時(shí)，等離子反翹也隨著小孔的尺寸發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)小孔直徑增大時(shí)，電弧尾焰增大，反翹變??；反之，則等離子反翹增大(如圖1所示)。

當(dāng)焊接電流過大，小孔坍塌，工件燒穿時(shí)，等離子反翹消失。所以，通過對(duì)等離子反翹的有無、形狀的檢測可以判斷焊接小孔的狀態(tài)。

采用無源探針檢測系統(tǒng)(如圖2所示)對(duì)反翹的狀態(tài)進(jìn)行檢測。其原理為：由于等離子體的導(dǎo)電性，在探針與等離子反翹的表面接觸處，會(huì)形成一個(gè)帶負(fù)電位的鞘層[ 6 ] 。根據(jù)鞘層理論可知，在探針表面會(huì)產(chǎn)生鞘層電位，經(jīng)過推導(dǎo)該鞘層電位Vw 值為

式中： T為等離子體溫度； ve 為電子平均運(yùn)動(dòng)速度； vi為離子平均運(yùn)動(dòng)速度； me 為電子質(zhì)量； mi 為離子質(zhì)量； K為玻耳茲曼常數(shù)?？梢姡?Vw 僅與等離子體溫度T成正比，與離子對(duì)電子質(zhì)量的比值有關(guān)，與探針形狀以及探針伸入到等離子體中的長度無關(guān)。此外，檢測電壓還包括探針與工件之間存在的電位梯度導(dǎo)致的分壓，該電壓的取值與探針和工件之間的電位梯度有關(guān)。隨著反翹形態(tài)的變化，探針處等離子體溫度也將發(fā)生周期性變化，從而導(dǎo)致檢測電壓的變化，故該電壓變化可以反映小孔的形成狀態(tài)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和條件

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：等離子弧焊接(PAW)系統(tǒng)，無源探針檢測系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及FASTCAM Super 10K/10KC高速攝影儀。PAW系統(tǒng)由等離子弧焊接電源，時(shí)序控制器，焊槍，行走裝置等組成。無源探針檢測系統(tǒng)由探針，濾波電路，位置掃描裝置組成。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)信號(hào)的采集與處理。

2.2 試驗(yàn)條件

焊接工件材料為1Gr18Ni9Ti不銹鋼，板厚為5mm。焊接參數(shù)：鎢極內(nèi)縮3.0 mm，焊接電流190 A，焊接速度5.6mm/ s，離子氣流量4.0L /min，保護(hù)氣流量20 L /min，離子氣、保護(hù)氣均為氬氣。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件下采集的反翹電壓信號(hào)圖3是通過掃描確定最佳探針位置后采集的穩(wěn)定小孔過程的反翹電壓信號(hào)(曲線1)和尾焰導(dǎo)電法采集的同步驗(yàn)證電壓信號(hào)(曲線2) 。通過反翹電壓信號(hào)與尾焰電壓驗(yàn)證信號(hào)比較可見，兩波形保持了很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系：在小孔長大過程中，等離子弧尾焰變大，反翹變??；相應(yīng)的尾焰電壓變大，反翹電壓變小；在小孔收縮過程中，尾焰變小，反翹變大；故尾焰電壓變小，反翹電壓變大。該試驗(yàn)結(jié)果表明，反翹電壓檢測法可以準(zhǔn)確的從工件正面采集焊接小孔的狀態(tài)信息。