0.   前言

变极性等离子电弧（VPPA）具有高能量密度和主动清理氧化膜的特点，在铝合金焊接领域具有极其重要的地位^{[1 − 2]}。铝合金VPPA焊接过程中电弧在正极性（Electrode positive, EP）与反极性（Electrode negative, EN）之间周期性切换，在EP阶段，母材表面出现大量阴极斑点，主动清理氧化层^{[3 − 4]}。对比正反极性电弧的特点可以发现，阴极斑点的存在是导致电弧在正反极性存在输出差异的主要原因。阴极斑点通常被认为具有高电流密度，且随机地在熔池表面高速移动。为了解围绕阴极斑点在电弧中的行为，已经进行了大量的试验和数值模拟研究，但大部分研究是在真空条件下进行的^{[5 − 8]}。与真空电弧相比，焊接电弧不可避免地受到气体特性和压力的影响，此种焊接环境极为复杂，影响了阴极斑点的行为，导致两种条件下对于阴极斑点的研究差异明显^{[9 − 11]}。因此，对于常压气体环境下电弧中阴极斑点的研究将有助于研究者更全面地理解阴极斑点在焊接过程中的作用和影响，从而为提高焊接质量提供必要的基础。

Phan等学者^[12]对阴极斑点的动态过程进行了研究，发现熔池表面温度、保护气成分、合金元素及工件表面状态等都会对阴极斑点个数、运动速度及运动形式产生影响。Ushio等学者^[13]使用帧率为8000帧/秒的高速摄像机观察阴极斑点的运动发现：阴极斑点首先在熔池中产生，随着时间的推移向氧化层区域扩展。初步得出了几种铝合金阴极斑点的数量、直径和速度受合金元素的影响的结论。Sarrafi等学者^[14]用高速摄像机在2 000帧/秒的帧率下观察了铝合金交流TIG焊接过程中的阴极斑点，该研究得出：在一个EP周期的开始，阴极斑点是随机出现在不同的位置，特别是在弧中心附近形成部分强阴极斑点并向外扩张。但是，使用上述帧率的观察结果仅仅显示了阴极斑移动的总体趋势。Tashiro等学者^[15]用高速摄像机以500 000帧/秒的帧率对阴极斑点进行了观察，熔池区阴极斑点的平均速度为100 m/s，氧化层区阴极斑点的平均速度为10 m/s；然而，以帧率为1 000帧/秒拍摄时，100 m/s的速度意味着在相邻两张图片中阴极斑点运动了10 cm，这说明以过低的帧率拍摄阴极斑点时，通过图像难以说明阴极斑点的产生机制和运动规律。Yuji等学者^[16]也观察了氦气保护气体在铝合金交流TIG焊接时的阴极斑点，试验发现熔池中心区域没有出现阴极斑点，这种缺失被认为是由于熔池中心区域和边缘之间表面氧化程度的差异造成的。

与TIG焊接相比，VPPA焊接中的气体组成和流动模式更为复杂，这一复杂性导致了对VPPA电弧在稳定性、传递方式和热量传递等方面的研究难度增加^[17]。同时，阴极斑点作为VPPA焊接过程中重要的现象，对焊接质量和稳定性有着重要影响，但对其机制和影响因素的认识仍相对有限。因此，未来的研究应更深入地探索VPPA焊接中阴极斑点的性质与形成机制。该文使用高速摄像机对铝合金VPPA过程中出现的阴极斑点进行了拍摄，通过处理拍摄到的图像，分析阴极斑点的特征尺寸数据，尝试探究了阴极斑点的动态运动行为规律和产生机制，确定了阴极斑点的运动区域，估算了环状阴极斑点簇的运动扩散速率，讨论了阴极斑点对母材的传热影响。

1.   阴极斑点动态行为规律观测

1.1   阴极斑点动态行为观测试验条件

如图1所示，焊接设备由VPPA焊枪和焊接电源组成，焊枪与工件位置均可调，在固定姿态和改变位置的过程中，使用了一个装置来实现稳定焊接。

图  1  观测阴极斑点动态行为试验装置示意图

Figure  1.  Schematic diagram of experimental device for observing dynamic behavior of cathode spots

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母材为5051铝合金，尺寸为150 mm×120 mm×5 mm。采用砂纸对母材表面打磨后进行焊接，有助于消除外界因素对焊接结果的影响。表1为该种铝合金基板成分，5051铝合金属于Al-Mg系合金，其使用范围广泛，耐蚀性好，焊接性优良，冷加工性较好，并具有中等强度。

表  1  5051铝合金成分（质量分数，%）

Table  1.  Composition of 5051 aluminum alloy (wt.%)

Cu	Fe	Mg	Mn	Si	Cr	Al
0.01	0.40	2.2～2.8	0.10	0.25	0.15～0.35	余量

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1.2   阴极斑点观测参数选定

试验采用HX-3E（Memrecam Q1V, Nac Image Technology）、连接有标称中心波长为640 nm带通滤波器的透镜（AF Micro Nikkor 200 mm）和高频脉冲二极管激光光源系统（Cavilux HF系统）观察熔池表面。该试验依据阴极斑点高速跳动现象选取高帧率相机进行拍摄，由于阴极斑点所处的区域位置电流密度会更大，亮度也相应的更高，因此采用减光片进行整体的滤波，光栅对电弧的波长进行削弱，并使用背景光照亮熔池以便于观察斑点所处熔池位置。在完成测量试验后，又选取了质量较好的拍摄参数，并将图像分辨率设置为320×240像素，以90 000帧/秒的帧率拍摄图像。高频脉冲二极管激光光源被放置在与高速摄像HX-3E的光轴相垂直的方向上。试验具体配置如图2所示。

图  2  高速摄像机配置示意图

Figure  2.  Schematic diagram of high-speed camera configuration

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图3为用于观察固定VPPA焊接中阴极斑点动态行为的试验装置示意图。通过配备光学透镜的高速摄像相机，从上侧方向进行观察。摄像机的视线设置为与母材表面成30°，其与熔池表面中心的距离为1 500 mm。在这一参数下拍摄的图像能最大程度地呈现熔池的整个形貌，便于观察阴极斑点在熔池所处的准确位置，且图片畸变处理也较为简单，处理结果更准确。

图  3  阴极斑点观测设备位置示意图

Figure  3.  Location diagram of cathode spot observation equipment

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在变极性等离子弧焊接过程中，采用焊接速度2.5 mm/s进行焊接。阴极斑点位于相近位置（一般根据焊接速度及小孔最大尺寸10 mm，相近位置可认为是0.5 mm左右）的清理时间不会超过0.2 s，但是焊接过程中阴极斑点的运动规律不易观察，因此采用定点电弧燃烧进行拍摄。为保证试验数据更加真实有效地还原焊接过程中的阴极斑点清理氧化膜的动态行为，根据变极性等离子弧时序波形，设置自动触发进行拍摄，图4表明了试验电流EP阶段电流波形上所试验的观察时间节点。根据第一个电流波形上升沿触发，设置电流大小阈值为实际焊接电流的50%时进行自动触发拍摄图像。当EP极性电流达到25 A的阈值时，数据记录器将触发信号发送至摄像机。由于相机内存的大小的限制，将拍摄帧数合理分配为在4个不同的时间进行观察。观察（A）以32 000帧/秒的帧率从EP极性开始，以便清楚了解阴极斑点行为的整个趋势。在EP阶段，对接收到触发信号后的（B）1 ms，（C）2 ms和（D）3 ms进行高速观察。在完成观察后，从记录的视频中定量分析阴极斑点行为。

图  4  EP阶段观察时间触发节点

Figure  4.  EP phase observation time trigger node

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表2为观察固定VPPA焊接中阴极斑点行为的试验变量参数。当阴极材料熔点、沸点较低，并且导热性很强时（冷阴极型），即使阴极温度达到材料的沸点开始蒸发，温度也不足以通过热发射产生足够数量的电子。阴极将进一步缩小其导电面积，直到在阴极导电面积形成密度很大的正离子空间电荷，同时形成很大的阴极压降值，足以产生较强的电场发射，以补充热发射的不足时，才能向弧柱区提供足够电子流维持电弧燃烧。此时，阴极将形成面积更小、电流密度更大的通路来导通电流，在阴极表面形成光斑，这一光斑称为阴极斑点。

表  2  阴极斑点动态行为规律试验参数

Table  2.  Base metal substrate type and element content

钨极直径 d1/mm	喷嘴直径 d2/mm	离子气流速 Q1/(L·min−1)	保护气流速 Q2/(L·min−1)	EP电流 IP/A	EN电流 IN/A	交流频率 f/Hz	EN时间占比 η(%)	弧高 h/mm	钨极内缩 Δl/mm
4.8	4.0	4.0	18.0	30～50	30～50	40	70	2.0	4.0

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1.3   试验图像位置标定

通过追踪观察图像中的发光区，可以确定阴极斑点在这一时刻所处空间的位置。拍摄时相机并不是与焊枪同轴进行拍摄的，而是有一定的角度，所以拍摄的图像必须进行畸变图像的处理。设计0.5 mm×0.5 mm正方形网格纸作为标定，如图5所示。通过方形网格标定，计算出拍摄图像畸变系数进行校准刻度，根据图像中的像素数计算实际尺寸，再将图像按照实际情况进行修正矩阵处理。通过图像处理及计算，可以得出试验的像素坐标和真实尺寸的畸变系数关系：K_x=0.01 mm/像素，K_y=0.033 mm/像素。经测量，误差不超过3%，可以进行有效性分析。

图  5  0.5 mm×0.5 mm方形网格纸标定

Figure  5.  0.5 mm×0.5 mm square grid paper calibration

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经过修正系数的处理，可以较为准确的得到阴极斑点所处的位置。如图6所示，熔池边界清晰可见，选取边界上的点，可以得到熔池的中心位置。通过2个连续帧之间的变化距离，计算每个阴极斑点移动的速度。熔池边缘上3个点的位置计算得出熔池中心位置（Center）。熔池中心(x_c, y_c)和阴极斑点与中心之间的径向距离（Center），用于计算阴极斑点的径向位置（Radial position）。

图  6  确定熔池中心及阴极斑点运动轨迹

Figure  6.  Determine the center of molten pool and the moving track of cathode spot

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图像呈现的阴极斑点尺寸不能直观体现实际尺寸，故粘贴标准已知尺寸方格在工件上进行标记，并将相机设置在距离工件15 000 mm，倾角30°的位置，方便后续基于像素点单位计算。①熔池中心标记为原点(x_c, y_c)；②利用bwmorph图像处理算法，获得每一个阴极斑点的中心(x_ci, y_ci)；③计算阴极斑点到底熔池中心原点距离：

2.   阴极斑点动态行为规律探究

2.1   单个阴极斑点产生与消失机制探究

为深入探究单个阴极斑点的产生与消失机制，将高速摄像采集帧率设置为400 000帧/秒进行拍摄，图片分辨率设置为160×160像素，以确保在分析阴极斑点动态过程时能够获得足够的细节。EP阶段内拍摄到1 600张图片，这些图片逐帧展示了阴极斑点在其生命周期中的演变情况。图7所示为一次拍摄中EP阶段内分别间隔4帧的4张阴极斑点分布图像，电弧与阴极斑点清晰可分辨，且每张图中阴极斑点均发生了明显改变，图7(a)中A₁～E₁代表5个亮度明显、特征明确的阴极斑点，且在图7(b)、图7(c)和图7(d)中每一张图分别出现的5个新的阴极斑点A_2-5，B_2-5，C_2-5，D_2-5，E_2-5，均在图7(a)中A₁～E₁ 5个阴极斑点周围区域出现，阴极斑点的每一次明显改变都象征着一个新斑点的产生和一个旧斑点的消失，并且新阴极斑点的产生大概率出现在上一个阴极斑点的附近区域。

图  7  EP阶段相同时间间隔下阴极斑点分布情况

Figure  7.  Distribution of cathode spots at the same time interval during EP stage. (a) at 0.57 ms; (b) at 0.58 ms; (c) at 0.59 ms; (d) at 0.61 ms

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2.2   阴极斑点运动行为的初步探究

对于阴极斑点的移动，一般认为阴极斑点清理作用是从一个点状区域到一个点状区域进行的，在每一区域均停留一定时间，当熔池周围另一区域可以比当前斑点所处区域以更低的能量形成阴极斑点时，斑点将自动跳跃到该点，进而形成阴极斑点的移动。在研究阴极斑点跳跃时，为了在一定程度上简化这个跳动的无序性带来的难题，假设斑点移动为连续性移动，在一定程度上这也有利于揭示阴极斑点动态行为规律。以下试验得出的结果都建立在标准大气压下，焊接电流为45 A，保护气成分为氩气及离子气成分为氩气的条件下，具体试验验参数在上一节已有介绍，这里不再赘述。

在VPPA焊接电弧一个周期中，EP阶段持续时间为仅为4 ms。使用帧率为400 000帧/秒拍摄，可以观察到单个阴极斑点的产生与消失，但图像清晰度难以保证，画面中熔池轮廓不够明显，无法判断阴极斑点的分布区域，故将高速摄像机的采集帧率设置在32 000帧/秒。在此帧率下，分别在变极性等离子弧EP阶段的初始、期间和结束等时刻选取4张带有阴极斑点高速移动的图像。图8显示了阴极斑点群在EP阶段运动的一整个周期4个阶段瞬间下阴极斑点的区域分布情况。图8(a)中的阴极斑点为变极性电弧EP初始阶段，阴极斑点几乎呈现均匀分布的，此时熔池区域熔融程度较低，斑点分布较为均匀；图8(b)中熔池外环阴极斑点成三两抱团紧密相邻分布，电弧亮度明显增加，随着中心熔池区域也逐渐熔化，位于熔池区域的阴极斑点数量明显减少；图8(c)中电弧燃烧已经稳定，电弧亮度得到增强，在中心白色区域（即熔池液态金属区，由于液态金属的反光呈白色明亮区域）并没有阴极斑点的出现，阴极斑点有向外扩散的趋势，呈现出阴极斑点簇分布不规则，有环绕中心环状分布的趋向；图8(d)中可以看到，电弧亮度已经达到峰值，熔池边界线清晰，电弧亮度和阴极斑点亮度相互干扰不明显，阴极斑点的亮度远大于电弧亮度。将熔池分为两部分观察阴极斑点，图中可以看到阴极斑点没有存在成团成簇的现象。通过不同光亮程度框选出阴极斑点的数量及位置，有助于之后统计分类阴极斑点分布和分析阴极斑点动态行为规律。

图  8  不同时刻阴极斑点分布情况

Figure  8.  Distribution of cathode spots at different times. (a) 1 ms; (b) 2 ms; (c) 3 ms; (d) 4 ms

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2.3   阴极斑点提取与计算

使用帧率为32 000帧/秒拍摄，虽然图像清晰但采集到图像较小，获取的信息不够完整，并且阴极斑点的运动行为跳跃范围过大，无法有效定位追踪其轨迹，仅可用于宏观观测或展示阴极斑点一般运动规律。进一步对阴极斑点的动态行为轨迹进行探究，高速摄像帧率采用90 000帧/秒，图像分辨率设置为320×240像素，在EP阶段内拍摄到360张图片。图9为EP阶段相邻两张阴极斑点分布图像，电弧轮廓可以分辨，整体对比度较高，阴极斑点的亮度明确，特征明显，适合进行下一步分析研究。

图  9  阴极斑点在熔池位置分布

Figure  9.  Distribution of cathode spots in molten pool. (a) at 0.65 ms; (b) at 0.66 ms

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弧柱区域在电弧燃烧稳定后，亮度也十分高，紧邻的白色亮点即为阴极斑点，在相邻两帧可以看到阴极斑点的移动，电弧弧柱的位置恒定，亮度稳定，区域特征鲜明。相比之下，阴极斑点的亮度不恒定，位置随机无规律，又由于观测时间仅为4 ms，斑点寿命短暂且数量不能明确。接下来作者提供一种方法来解决上述问题。

如图10所示，分别沿图10(a)图所示直线1和图10(b)图所示直线2为基准线进行扫描，图中横坐标轴代表像素距离，纵坐标轴代表亮度。从灰度值在图像上的显示，阴极斑点亮度高于背景电弧亮度，相比阴极斑点周围亮度，自身的灰度值在位移100～150之间出现一个峰值。图10(a)中，沿直线1上第一个出现的阴极斑点，随着直线1向右移动，出现中心区域亮度200以上的电弧弧柱；在离开中心区域后，位移在180～200之间再次出现明显的阴极斑点。图10(b)中，位移在140～160之间时，电弧弧柱遮挡后方部分阴极斑点。由上分析可以得出，电弧图像的灰度是由弧柱图像和阴极斑点图像叠加而成，在不同位置，阴极斑点的灰度值大小不一，且尺寸很小不易观察，为提取斑点图像增加了难度。除上述问题之外，阴极斑点和电弧弧柱图像耦合严重，无法用常规的图像处理方法提取。

图  10  沿直线1、直线2进行亮度处理

Figure  10.  Brightness processing along line 1 and line 2. (a) sweep with line 1; (b) sweep with line 2

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由于常规二值化形态学的图像技术处理和边界提取策略难以实现斑点图像提取，故考虑应用叠加二值化函数为im2bw。区别于先前的二值法基于灰度值在0～255区间，此函数是将灰度值图像（0～255）转换为二值化图像（0～1），基于阈值，由原来灰度图像转换成二进制图像。若原来调色板上有0～255总计256个色号代表灰度值图片中每个点的颜色值，转换为二值化图像后变成只有0，1两个颜色值来命名图片上所有的像素点。通过阈值的判断条件来决定每个点是否为0，其优势是在原有的基础上更加详细的确定了像素点的定位，这非常有利于处理阴极斑点这类单色调的原图，着重强调了其特点并缩小体积去提取分析，最大化增强图像明暗对比。

如图11所示，对58/90 000～64/90 000 s相邻时刻的6张图像沿直线进行同样的灰度扫描。定义图片左上角像素点为原点，横坐标轴代表像素距离，纵坐标轴代表亮度值，扫描位置为Y=140。如图12所示，可以发现电弧弧柱亮度值呈现近似高斯分布而保持不变，而阴极斑点亮度值是一个移动的叠加峰，在该试验的采集参数下，相邻2张图像扫描的曲线可以获得清晰的阴极斑点位置移动。基于上述说明，设计如下阴极斑点图像处理思路。

图  11  相邻时刻阴极斑点位置分布

Figure  11.  Position distribution of cathode spot at adjacent time. (a) 58/90 000 s; (b) 59/90 000 s; (c) 60/90 000 s; (d) 61/90 000 s; (e) 62/90 000 s; (f) 63/90 000 s

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图  12  相邻时刻图像下沿直线的亮度分布

Figure  12.  Brightness distribution along straight line of the image at the adjacent time

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通过分析，阴极斑点的动态行为会比电弧形态的改变更加频繁，而阴极斑点的响应更快，是持续在运动的。如图13所示，可将电弧假设为短时间内稳定的，将图像减去电弧就可以获得只有阴极斑点的图像。然而，仅包含弧柱区的图像和阴极斑点图像相耦合，无法简单提取剥离。考虑到阴极斑点的动态特性，在此参数下，不存在完全相同的阴极斑点，阴极斑点的产生和消失是小于此间隔的，且不会有同一位置长期存在。

图  13  选取标定图像及前后两帧图像

Figure  13.  Select the calibration image and the front and rear two frames. (a) select calibration image N; (b) select calibration image N-2; (c) select calibration image N-1; (d) select calibration image N+1; (e) select calibration image N+2

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将上述图片进行如下算法处理：Image(A) = Image(N) − Image(N-1) + Image(N) − Image(N+1) + Image(N) − Image(N-2) + Image(N) − Image(N+2)。经过以上剔除背景操作后，如图14所示，阴极斑点图像更加清晰完整，并且能够获得较好图像分辨率，光晕也有明显改善。根据提取灰度值的思路，可以找到阴极斑点所处的位置和大小。相比较下，经过算法处理后的图像，特征更加突出，阴极斑点的峰值更加明显，且能够较为准确地确定阴极斑点所处的位置。在图14中，定义图片左上角像素点为原点，白色直线的纵坐标为Y=140，可以发现图像处理后的阴极斑点可以完整的从背景图像中分离处理，并且可以得到阴极斑点的大小所占像素值为5～6个，当以间隔为3个像素进行扫描时，能够精确快速地统计出阴极斑点的数量及位置。

图  14  算法处理前后沿直线灰度值的分布情况

Figure  14.  The distribution of gray values along the line processing by the algorithm

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2.4   阴极斑点在不同时刻的分布情况

经上述处理手段，将变极性等离子弧EP阶段的所有图片经过处理后，分别统计出第1 ms、第2 ms、第3 ms和第4 ms阴极斑点位于熔池中心的距离。为便捷且直观看出阴极斑点的分布情况，将阴极斑点出现的区域分为7个环状区域，如图15所示。一般来说，阴极斑点具有寻找并清理氧化膜的行为，但是由于熔池内部有熔融液态金属的存在，所以阴极斑点出现的概率不是很高。将此区域分别化为直径5 mm以下的环状区域、直径5～6 mm的环状区域、直径6～7 mm的环状区域、直径7～8 mm的环状区域、直径8～9 mm的环状区域、直径9～10 mm的环状区域及直径10 mm以上的区域，用于来统计阴极斑点所出现的概率，进而研究阴极斑点的动态行为。

图  15  阴极斑点运动区域划分

Figure  15.  The division of cathode spot movement area

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选取至少3组相同条件下拍摄的阴极斑点进行统计求平均值，用于说明EP阶段阴极斑点的动态行为。主要选取位于各区域内阴极斑点的个数、此区域的阴极斑点总面积和所占整个EP阶段的百分比这几个特征，去衡量阴极斑点的动态行为。表3为第1 ms内阴极斑点动态行为数据统计。EP阶段第1 ms内时，阴极斑点在所有区域都有分布，5 mm以内区域所占的比例明显偏大，阴极斑点的面积无太大差异。

表  3  第1 ms内阴极斑点动态行为数据统计

Table  3.  Statistics of dynamic behavior of cathode spot in the 1st ms

环状 区域	个数 N/个	面积 A/mm2	平均面积 A0/mm2	百分比 λ(%)
5 mm以下	37	5.60	0.151	3.57
5～6 mm	10	1.28	0.128	1.85
6～7 mm	19	3.47	0.182	4.24
7～8 mm	11	1.88	0.171	2.00
8～9 mm	13	1.59	0.122	1.49
9～10 mm	15	1.84	0.123	1.54
10 mm以上	18	2.50	0.139	0.26

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表4为第2 ms内阴极斑点动态行为数据统计。EP阶段第2 ms内，阴极斑点在所有区域均有分布，5 mm以内区域所占的比例明显偏大，但相比于上一时间段5～6 mm和6～7 mm环状区域内，阴极斑点数量增加，所占比例上升50%，阴极斑点的面积并无明显变化。

表  4  第2 ms内阴极斑点动态行为数据统计

Table  4.  Statistics of dynamic behavior of cathode spot in the 2nd ms

环状 区域	个数 N/个	面积 A/mm2	平均面积 A0/mm2	百分比 λ(%)
5 mm以下	33	5.16	0.156	2.63
5～6 mm	15	3.53	0.235	4.09
6～7 mm	15	2.76	0.184	2.70
7～8 mm	3	0.33	0.110	1.96
8～9 mm	8	1.44	0.180	1.08
9～10 mm	11	1.71	0.155	1.15
10 mm以上	1	0.23	0.230	0.02

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表5为第3 ms阴极斑点动态行为数据统计。EP阶段第3 ms内，阴极斑点也均在所有区域都有分布，但分布情况有了明显的变化，5 mm以内区域所占的比例明显降低，已不足1%，相应地，5～6 mm，6～7 mm，7～8 mm环状区域内阴极斑点所占比例有明显增加，增幅60%左右，有向外扩散的趋势，阴极斑点的面积仍并无太大差异，均在0.15 mm²上下。

表  5  第3 ms阴极斑点动态行为数据统计

Table  5.  Statistics of dynamic behavior of cathode spot in the 3rd ms

环状 区域	个数 N/个	面积 A/mm2	平均面积 A0/mm2	百分比 λ(%)
5 mm以下	8	1.92	0.239	0.99
5～6 mm	4	0.48	0.119	0.55
6～7 mm	15	2.30	0.153	2.25
7～8 mm	16	1.26	0.079	1.07
8～9 mm	19	2.62	0.138	1.96
9～10 mm	17	2.24	0.132	1.50
10 mm以上	18	3.83	0.213	0.31

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表6为第4 ms阴极斑点动态行为数据统计。EP阶段第4 ms内，阴极斑点在所有区域均有分布，10 mm以上所占的比例明显增大，占整个EP阶段斑点个数的8.2%。阴极斑点大部分分布在靠近熔池最边缘处，阴极斑点的面积并无太大差异。

表  6  第4 ms阴极斑点动态行为数据统计

Table  6.  Statistics of dynamic behavior of cathode spot in the 4th ms

环状 区域	个数 N/个	面积 A/mm2	平均面积 A0/mm2	百分比 λ(%)
5 mm以下	42	6.40	0.152	3.26
5～6 mm	27	2.52	0.093	2.92
6～7 mm	26	3.11	0.120	3.00
7～8 mm	19	2.26	0.119	1.92
8～9 mm	35	8.44	0.241	6.32
9～10 mm	28	4.87	0.174	3.26
10 mm以上	75	10.00	0.133	8.20

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将上述EP阶段的阴极斑点统计整理，汇总第1 ms、第2 ms、第3 ms和第4 ms内阴极斑点位于环状区域的概率分布情况，如图16所示。进一步细化阴极斑点的动态行为，将上述7个环状区域细化成11个，并在拍摄得到的图像中观察阴极斑点。由于直接观察不易确定阴极斑点所处的精确区域位置，故使用直径相距1 mm的圆形标记来表示熔池中不同半径的环状区域。如图17(a)所示，圆形标记的圆心与边界具体坐标根据图6所示原理计算得出，直径由2 mm依次递增至12 mm。通过这一方法可以更为直观地观察阴极斑点所处的位置区域，根据不同时刻的阴极斑点分布区域计算环状斑点簇的扩展速率，以环状斑点簇为观测目标，在图像内可观测的斑点簇尺寸大致在1 mm。在第1 ms内，阴极斑点主要分布在3～4 mm的环状区域，如图17(b)所示；在第2 ms内，阴极斑点向熔池外扩展，主要分布在5～6 mm的环状区域分布，如图17(c)所示；在第3 ms内，阴极斑点进一步向熔池外扩展，主要分布在8～9 mm的环状区域，如图17(d)所示；在第4 ms内，阴极斑点主要分布在11～12 mm的环状区域，如图17(e)所示。由此可计算得到，环状斑点簇在一个EP阶段内的扩展速率范围大致在1.75～2.25 m/s之间。

图  16  EP阶段阴极斑点在熔池周边环形分布情况

Figure  16.  Circumferential distribution of cathode spots around the molten pool in EP phase

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图  17  EP阶段不同时刻阴极斑点分布情况

Figure  17.  Distribution of cathode spots at different moments of the EP phase interval. (a) circular marking schematic; (b) at 1st ms; (c) at 2nd ms; (d) at 3rd ms; (e) at 4th ms

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3.   讨论

经过分析，可以假定阴极斑点清理氧化膜的模式是从熔池中心向外（即从熔池中心到远离熔池中心这个运动规律去进行扩展的）。以宽度为1 mm的环状斑点簇为观测目标，那么可得到阴极斑点簇的运动扩散速率范围大致在1.75～2.25 m/s之间。上面的速度是阴极斑点簇向外扩散的速度，并不是单个斑点的速度，阴极斑点的速度会远远大于这个斑点簇向外沿伸扩展的速度。如图18所示，常规变极性等离子电弧的阴极斑点在工件表面的移动是一个自发过程，无法通过电弧参数的调节进行控制。金属的蒸发与电离使得界面附近产生超强电场，促使正离子向表面移动形成离子云，同时激发周围金属电子发射，产生阴极斑点的迁移。该过程阴极斑点向四周移动无固定方向，在移动过程中阴极斑点可能会形成聚集的斑点簇，以斑点簇为单位整体移动。

图  18  阴极斑点移动原理示意图

Figure  18.  Schematic diagram of the principle of cathode spot movement

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从宏观统计上，以大多数阴极斑点在时空上所处的位置来描述阴极斑点的运动行为，在一定程度上是可行的。电弧温度场是一个惯性场，单个阴极斑点的高速跳动并不会直接快速影响到电弧形态和温度场的变化，而与单个阴极斑点的移动相比，阴极斑点簇的宏观缓慢移动，会更容易带动电弧形态的改变，突出了研究阴极斑点簇的实际意义，同时可以以此为基础来调节工艺参数达到熔池相对稳定。

4.   结论

（1）阴极斑点的运动区域主要在以熔池为中心的5～16 mm环状区域内，而新的阴极斑点大概率会出现在上一个旧阴极斑点附近，原因可能是金属蒸气形成的等离子云团促使电子发射所致。

（2）通过宏观统计阴极斑点的时空位置，可以近似得到阴极斑点是从里向外清理氧化膜的，即从熔池中心到远离熔池中心这个运动规律去进行扩展的。

（3）以宽度为1 mm的环状斑点簇为观测目标，那么可得到阴极斑点簇的运动扩散速率范围大致在为1.75～2.25 m/s之间。该速度是阴极斑点簇也可称为阴极斑点群向外扩散的速度，并不是单个斑点的速度。

（4）通过分析得到了阴极斑点在工件表面上的移动情况，再结合阴极斑点高电流密度高热量的特性，可以推测出阴极斑点存在的区域工件上温度分布发生了改变，产热能力上升。这种对工件传热的增加，对铝合金VPPA焊接的成形有着重要的影响，为之后的焊接仿真模拟研究作基础。