CN103008835B

CN103008835B - 一种耦合电弧的短路过渡焊接系统及其控制方法

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Publication number: CN103008835B
Application number: CN201210500435.3A
Authority: CN
Inventors: 黄鹏飞; 卢振洋; 韩国良; 白立来
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: CN103008835A

Abstract

一种新型的耦合电弧短路过渡焊接系统及其控制方法，属于焊接方法设备及自动化领域。本发明采用了数字化芯片DSP控制手段，完成了直流MAG和TIG的复合焊接短路过渡过程的控制。在焊接过程中，两个电弧分别采用独立电源控制，电源之间形成通信连接，MAG焊丝和母材之间形成主弧，采取短路过渡的熔滴过渡形式；TIG电极和焊丝之间形成辅弧。本发明以MAG和TIG输出总电流150A-250A为基础，控制TIG电源在燃弧阶段输出电流I₁，80A≤I₁≤200A，用来熔化更多焊丝填充焊缝，在短路阶段输出电流I₂，20A≤I₂≤80A，用来维持电弧的稳定性。本发明解决了短路过渡焊接时能量的精确控制问题，实现了母材热输入和熔敷金属量的独立调节功能，使得母材的热输入实现可控可调节。

Description

一种耦合电弧的短路过渡焊接系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种耦合电弧的短路过渡焊接系统及其控制方法，属于焊接方法设备及自动化领域。

技术背景

航空航天、交通运输、海洋工程等工业的发展，极大地推动了焊接技术的发展，提高焊接生产效率和保证焊接质量的高效、优质、低耗的焊接方法成为实际生产的迫切要求。焊接作为一种重要的制造成形工艺，其效率的提高对企业总的生产率的提高有着举足轻重的影响。现代制造业为了增强市场竞争能力，对焊接生产加工的效率提出了越来越高的要求，提高焊接生产率的主要途径之一是大幅度提高焊接速度。采用高能密度焊接工艺技术(激光焊，电子束焊)，可以提高焊接速度和焊接生产率，但其工艺复杂，设备投资成本高，对工件的装配精度要求高，适应性差，难以大面积推广应用。另一方面，当焊接速度提高到一定程度时，不管是传统的焊接方法(钨极氢弧焊，熔化极气体保护电弧焊)，还是高能密度焊接技术(电子束焊和激光焊)，都会出现焊缝成形缺陷。例如，焊道咬边和驼峰焊道等，这是高速焊接面临的共性问题。如果对现有的电弧焊接工艺方法进行高效化改进，充分利用其高适应性的特点，同时避免高速焊时焊缝成形缺陷的产生，实现制造业焊接生产加工的低成本和高速度，无疑具有广阔的应用前景。这对于增强制造业的市场竞争能力，具有重要的理论意义和工程实用价值。

已有研究结果证明，如果在焊接速度提高时能够保持单位长度上熔敷的焊丝金属量不变，同时要在焊丝和母材之间合理分配热量，保持母材熔深不变(即减少对母材的热输入)，才能避免高速焊接焊缝成形缺陷的产生。这就是说，为了实现高速焊接，一方面要保证对母材的热输入不能过大，同时还要增大通过焊丝的焊接电流，这是一个矛盾。因为对于常规的熔化极气体保护电弧焊，通过焊丝的焊接电流就等于作用在母材上的焊接电流，如果要提高焊丝的熔化速度，就必然增加了对母材的热输入。因为无法解决这一矛盾，所以常规的熔化极气体保护电弧焊无法实现高速焊接的稳定性。

为了解决高速焊中的问题，国内外很多焊接工作者提出了许多耦合电弧的焊接法，并且有一些方法在实际生产中得到了较成功的应用。例如，美国肯塔基大学的张裕明老师为了对常规的熔化极气体保护电弧焊进行高效化改进，提出一种新型的电弧焊工艺DE-GMAW，该焊接工艺方法将一个GTAW焊枪与一个GMAW焊枪组合，GMAW焊枪与工件构成主路，GTAW焊枪构成旁路，使用一个电源进行控制输出。流经焊丝的焊接电流在电弧弧柱区分为两部分，一是旁路电流，二是施加到母材的电流。增大焊接电流时，作用于焊丝上的电流数值较高有利于提高焊丝的熔化速度，从而提高熔敷率。GTAW焊枪构成的旁路分流了一部分通过焊丝的焊接电流，在保证了熔敷率的同时，减小了作用于母材的热输入，很好地解决了上述矛盾。但该方法采用了一个电源进行控制，只能在旁路分流，不能使得旁路独立提供电源支持，而且分流后容易导致原来的电源动特性失稳。该方法过渡形式采用的自由过渡，在角焊的时候，焊接精度要求比较高，范围较小，而此时高电压下，电弧比较长，不易精确控制焊接熔池和范围，电弧波动比较大。在这种情况下工件始终处于焊接电弧的加热下，热输入量大，在很高的焊接速度下，熔池不能及时冷却，所以熔化态金属的长度比常规速度焊接时长得多，产生熔池失稳的可能性也大大提高。

山东大学和兰州理工大学也在DE-GMAW焊接方面做了一些研究，验证了该方法在提高焊接速度时，由于旁路分流的作用，母材上的热输入可以控制在一定水平，实现了良好的焊接成型效果。同时，兰州理工大学也进一步扩展研究和改进，提出采用双旁路耦合电弧MAG焊，是在常规的MAG焊枪两边分别增加一把TIG焊枪，通过旁路电极和焊丝之间产生的旁路电弧，分流一部分通过母材的电流，有效降低大电流焊接时的电弧压力和母材热输入，在一定的焊接规范下可以提高焊接速度，实现高速焊接的稳定性。

以上这些研究方法使用的电源是没有做改变的原始电源，所以当采用耦合电弧分流时，通用的电源无法适应分流带来的电源动特性改变，不能做出更有效的调整，不能实现稳定的短路过渡的形式，只能采用较为理想的射流过渡。

发明内容

针对高效化焊接的发展趋势和需要解决的问题，本发明的目的在于克服了熔化极气体保护焊高速焊接时电流增大带来的母材热输入过大、熔池不稳、焊缝成型差等缺陷。该方法采用MAG焊作为主弧，TIG电极以30度至60度的可调节角度与焊丝形成辅弧耦合在旁路。两个独立电源分别控制两个焊接过程，两个控制电路之间形成通信，并对电流和电压的采样信息进行反馈控制，以DSP系统协同控制两个电源输出，精确控制短路过渡焊接过程中的能量输出，实现母材热输入和熔敷金属量的独立控制功能，保证线能量和母材热输入的稳定性。

本发明的设计思想为：MAG焊接作为主弧焊接，主要实现对焊丝和母材的加热，并采用直流反接的接线方式来实现短路过渡；TIG电极与焊丝之间形成电弧，对焊丝进行辅助加热，同时相应的减小了母材上的热输入。根据短路过渡中燃弧阶段和短路阶段的不同特点，以MAG和TIG输出总电流150A-250A为基础，控制TIG电源在燃弧阶段输出电流I₁，80A≤I₁≤200A，用来熔化更多焊丝填充焊缝；在短路阶段输出电流I₂，20A≤I₂≤80A，用来维持电弧的稳定性。

同时，该方法采用了电流电压传感器对两个电弧进行实时检测，并将检测信号反馈到两个电源的控制电路，用来对弧长的变化、燃弧阶段和短路阶段的电流变化等做出相应的调整，实现电弧状态和短路过渡过程的稳定性。

本发明采用的技术方案如下：

一种耦合电弧的短路过渡焊接系统，包括：TIG焊接系统1、MAG焊接系统2、前面板输入及显示3、送丝系统4和电弧能量输出5。

TIG焊接系统1主电路包括整流滤波电路1.1、逆变电路1.2、中频变压器1.3、二次整流电路1.4、电流莱姆1.5、电压莱姆1.6、高频引弧1.7和高压稳弧1.8。三相输入380V交流电接整流滤波电路1.1，然后按顺序串联逆变电路1.2、中频变压器1.3、二次整流电路1.4三个部分，二次整流电路1.4两端分别接MAG焊枪5.1和TIG焊枪5.2，电流莱姆1.5和高频引弧1.7串联在二次整流电路1.4和TIG焊枪5.2之间，电压莱姆1.6和高压稳弧1.8并联在MAG焊枪5.1和TIG焊枪5.2之间。其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分。核心控制部分包括TIG单片机1.9、电流采样及滤波1.10、电压采样及滤波1.11以及保护电路1.12。TIG单片机1.9与MAG焊接部分的MAG单片机2.7相连，形成通信，并连接电流采样及滤波1.10、电压采样及滤波1.11和保护电路1.12，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路1.13、高频引弧驱动电路1.14和高压稳弧驱动电路1.15相连，给予它们驱动信号。电流采样及滤波1.10和电压采样及滤波1.11的一端与TIG单片机1.9相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆1.5和电压莱姆1.6相连。驱动部分包括逆变驱动电路1.13、高频引弧驱动电路1.14、高压稳弧驱动电路1.15。逆变驱动电路1.13与逆变电路1.2相连，传递信号给保护电路1.12，并接收来自TIG单片机1.9的驱动信号，高频引弧驱动电路1.14和高压稳弧驱动电路1.15分别于TIG单片机1.9相连，并分别驱动高频引弧1.7和高压稳弧1.8。

MAG焊接系统2主电路包括整流滤波电路2.1、逆变电路2.2、中频变压器2.3、二次整流电路2.4、电流莱姆2.5、电压莱姆2.6。三相输入380V交流电接整流滤波电路2.1，然后按顺序串联逆变电路2.2、中频变压器2.3、二次整流电路2.4三个部分，二次整流电路2.4两端分别接MAG焊枪5.1和母材5.3，电流莱姆2.5串联在二次整流电路2.4和MAG焊枪5.1之间，电压莱姆2.6并联在MAG焊枪5.1和母材5.3之间。其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分。核心控制部分包括MAG单片机2.7、电流采样及滤波2.8、电压采样及滤波2.9以及保护电路2.10。MAG单片机2.7与TIG焊接部分的TIG单片机1.9相连，形成通信，并连接电流采样及滤波2.8、电压采样及滤波2.9和保护电路2.10，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路2.11相连，给予驱动信号。电流采样及滤波2.8和电压采样及滤波2.9的一端与MAG单片机2.7相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆2.5和电压莱姆2.6相连。驱动部分包括逆变驱动电路2.11。逆变驱动电路2.11与逆变电路2.2相连，传递信号给保护电路2.10，并接收来自MAG单片机2.7的驱动信号。

前面板输入及显示3包括焊接参数给定3.1和焊接参数显示3.2。焊接参数给定3.1和焊接参数显示3.2均与MAG焊接系统中的MAG单片机2.7相连，进行显示和送丝信号与MAG单片机2.7的信号传递。

送丝系统4括焊枪开关4.1、送丝给定4.2、气阀4.3和送丝机调速电路4.4。MAG焊接系统中MAG单片机通过光电隔离4.5与焊枪开关4.1、送丝给定4.2和气阀4.3相连，焊枪开关4.1、送丝给定4.2和气阀4.3通过送丝机调速电路4.4与MAG焊中送丝轮相连。

电弧能量输出5包括MAG焊枪5.1、TIG焊枪5.2和母材5.3。其中TIG电极与MAG焊丝之间的距离为2-6mm，TIG电极与母材之间的距离为3-7mm，MAG焊枪中的焊丝与母材之间的距离为18-25mm。

所述的焊接系统的控制方法如下：

MAG焊接系统2的MAG焊电弧和TIG焊接系统1的TIG焊电弧组成耦合电弧；MAG焊中，焊丝和母材之间形成主弧，采用短路过渡的熔滴过渡形式；TIG焊中，电极和焊丝以30度至60度的可调节角度形成辅弧。根据短路过渡中燃弧阶段和短路阶段的不同特点，以MAG和TIG输出总电流150A-250A为基础，控制TIG电源在燃弧阶段输出电流I₁，80A≤I₁≤200A，用来熔化更多焊丝填充焊缝，在短路阶段输出电流I₂，20A≤I₂≤80A，用来维持电弧的稳定性。

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1、MAG焊和TIG焊组成的耦合电弧焊接过程采用短路过渡的熔滴过渡形式，显著提高了焊接精度和电弧控制的稳定性。

2、两个焊接形式采用独立电源，两个电源之间的控制电路形成通信，对实时焊接情况进行检测反馈后，共同协调输出能量，显著提高了焊接过程的能量匹配效果，使得能量输出更精确，达到可控可调节的水平。

附图说明

图1焊接系统结构组成图

图2能量输出部分的示意图

图3电流电压的波形图

图1中1、TIG焊接系统，2、MAG焊接系统，3、前面板输入及显示、4、送丝系统，5、电弧能量输出。

TIG焊接系统1中：

1.1、整流滤波电路，1.2、逆变电路，1.3、中频变压器，1.4、二次整流电路，1.5、电流莱姆，1.6、电压莱姆，1.7、高频引弧，1.8、高压稳弧，1.9、TIG单片机，1.10、电流采样及滤波，1.11、电压采样及滤波，1.12、保护电路，1.13、逆变驱动电路，1.14、高频引弧驱动电路，1.15、高压稳弧驱动电路。

MAG焊接系统2中：

2.1、整流滤波电路，2.2、逆变电路，2.3、中频变压器，2.4、二次整流电路，2.5、电流莱姆，2.6、电压莱姆。2.7、MAG单片机，2.8、电流采样及滤波，2.9、电压采样及滤波，2.10、保护电路，2.11、逆变驱动电路。

前面板输入及显示3中：

3.1、焊接参数给定，3.2、焊接参数显示。

送丝系统4中：

4.1、焊枪开关，4.2、送丝给定，4.3、气阀，4.4、送丝机调速电路。

电弧能量输出5中：

5.1、MAG焊枪，5.2、TIG焊枪，5.3、母材。

具体实施方式

现结合附图对本发明的实施方式进行实例说明。如图1所示为本实例实施的总体系统框图。

TIG焊的主电路由三相输入380V交流电首先经过输入整流部分1.1进行整流滤波后，变为高压直流。然后此直流电经过逆变电路1.2进行逆变，再经过中频变压器1.3的降压隔离后变为20KHz的交流电，随后经过二次整流部分1.4进行整流滤波，变为焊接所用的大电流低电压的直流电，供给焊接功率输出。

由于TIG焊接需要高频电压的引弧过程，以及在MAG焊接过程中，短路阶段和燃弧阶段的切换容易使得TIG电弧熄灭，所以该方法在系统中加入了高频引弧1.7和高压稳弧1.8模块。

MAG焊的主电路由三相输入380V交流电首先经过输入整流部分2.1进行整流滤波后，变为高压直流。然后此直流电经过逆变电路2.2进行逆变，再经过中频变压器2.3的降压隔离后变为20KHz的交流电，随后经过二次整流部分2.4进行整流滤波，变为焊接所用的大电流低电压的直流电，供给焊接功率输出。

TIG焊接的控制部分主要包括四个部分：其一是产生驱动信号，这包括逆变驱动电路1.13驱动、高频引弧驱动1.14信号和高压稳弧驱动1.15信号；其二是将接受到来自逆变的保护信号通过保护电路1.12传递给TIG单片机1.9，以产生保护动作，即关断相应的PWM驱动输出；其三是接收电流采样及滤波1.10和电压采样及滤波的信号1.11以获得实时的焊接电流和电压值。电流采样及滤波采回焊接过程中的实际电流If用于PI控制，实时调整电流偏差，实现闭环控制。电压采样及滤波采回焊接过程中的实际电压Uf用于燃弧阶段的电压控制，通过闭环控制实现燃弧阶段恒压控制的目的；其四是来自MAG焊电源中DSP的信号，以完成两个DSP的协同控制。TIG焊的控制部分主要完成外部信号的响应，并经过软件处理、计算和转换后与MAG焊中的DSP协同对系统进行控制，完成预定的焊接目的。

MAG焊接的控制部分主要包括六个部分：其一是产生驱动信号，这包括逆变驱动电路2.11的驱动；其二是将接受到来自逆变的保护信号通过保护电路2.10传递给MAG单片机2.7，以产生保护动作，即关断相应的PWM驱动输出；其三是接收电流采样及滤波2.8和电压采样及滤波2.9的信号以获得实时的焊接电流和电压值。电流采样及滤波采回焊接过程中的实际电流If用于PI控制，实时调整电流偏差，实现闭环控制。电压采样及滤波采回焊接过程中的实际电压Uf用于燃弧阶段的电压控制，通过闭环控制实现燃弧阶段恒压控制的目的；其四是来自TIG焊电源中DSP的信号，以完成两个DSP的协同控制；其五是通过DSP获得的来自前面板输入及显示部分的焊接参数预置，获得焊接初始参数；其六是通过DSP获得的来自送丝部分的焊枪开关4.1的信号。MAG焊的控制部分主要完成焊接参数输入和外部信号的响应，并经过软件处理、计算和转换后与TIG焊中的DSP协同对系统进行控制，完成预定的焊接目的。

前面板输入及显示部分为外围设备控制及执行部分。焊接参数给定3.1对核心控制部分输入，实现焊接参数的设定，并通过焊接参数显示3.2进行显示，使其能实时显示焊接电流和电压。

送丝系统接受来源于焊枪开关4.1的信号和部分输入，决定送丝给定4.2和气阀4.3的数值和状态。

图2所示为能量输出部分的示意图，箭头所指为电流流向方向，TIG电极与MAG焊丝之间的距离为2-6mm，TIG电极与母材之间的距离为3-7mm，MAG焊丝与母材之间的距离为18-25mm。MAG焊采用短路过渡的熔滴过渡形式，焊丝与母材形成电弧，TIG电极与焊丝之间形成电弧。短路过渡要求大电流，低电压的稳定输出，并实现较窄的焊缝宽度，且MAG焊中采用直流反接的接线方式。焊接过程中，短路阶段和燃弧阶段均采用由焊丝向母材的电流方向。

图3所示为电流电压的波形图。根据短路过渡中燃弧阶段和短路阶段的不同特点，以MAG和TIG输出总电流150A-250A为基础，控制TIG电源在燃弧阶段输出电流I₁(80A≤I₁≤200A)，用来熔化更多焊丝填充焊缝，在短路阶段输出电流I₂(20A≤I₂≤80A)，用来维持电弧的稳定性。由于高速焊接时，需要提高焊接电流，母材上的加热主要由MAG电源提供，总电流是两个电源提供总电流之和，在总电流不变的情况下，调节TIG电源提供的电流大小可以增大或减小MAG电源上提供的电流大小，即能够调节母材上的热输入。

该种方法就是利用MAG焊短路过渡的特点，通过两个电源的协调控制，对焊接的不同阶段进行相应改变的输出控制，以实现薄板高速焊接良好成型的目的。

Claims

1.一种耦合电弧的短路过渡焊接系统，其特征在于：其包括TIG焊接系统(1)、MAG焊接系统(2)、前面板输入及显示(3)、送丝系统(4)和电弧能量输出(5)；

TIG焊接系统(1)主电路包括整流滤波电路(1.1)、逆变电路(1.2)、中频变压器(1.3)、二次整流电路(1.4)、电流莱姆(1.5)、电压莱姆(1.6)、高频引弧(1.7)和高压稳弧(1.8)；三相输入380V交流电接整流滤波电路(1.1)，然后按顺序串联逆变电路(1.2)、中频变压器(1.3)、二次整流电路(1.4)三个部分，二次整流电路(1.4)两端分别接MAG焊枪(5.1)和TIG焊枪(5.2)，电流莱姆(1.5)和高频引弧(1.7)串联在二次整流电路(1.4)和TIG焊枪(5.2)之间，电压莱姆(1.6)和高压稳弧(1.8)并联在MAG焊枪(5.1)和TIG焊枪(5.2)之间；其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分；核心部分包括TIG单片机(1.9)、电流采样及滤波(1.10)、电压采样及滤波(1.11)以及保护电路(1.12)；TIG单片机(1.9)与MAG焊接部分的MAG单片机(2.7)相连，形成通信，并连接电流采样及滤波(1.10)、电压采样及滤波(1.11)和保护电路(1.12)，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路(1.13)、高频引弧驱动电路(1.14)和高压稳弧驱动电路(1.15)相连，给予它们驱动信号；电流采样及滤波(1.10)和电压采样及滤波(1.11)的一端与TIG单片机(1.9)相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆(1.5)和电压莱姆(1.6)相连；驱动执行部分包括逆变驱动电路(1.13)、高频引弧驱动电路(1.14)、高压稳弧驱动电路(1.15)；逆变驱动电路(1.13)与逆变电路(1.2)相连，传递信号给保护电路(1.12)，并接收来自TIG单片机的驱动信号，高频引弧驱动电路(1.14)和高压稳弧驱动电路(1.15)分别与TIG单片机(1.9)相连，并分别驱动高频引弧(1.7)和高压稳弧(1.8)；

MAG焊接系统(2)主电路包括整流滤波电路(2.1)、逆变电路(2.2)、中频变压器(2.3)、二次整流电路(2.4)、电流莱姆(2.5)、电压莱姆(2.6)；三相输入380V交流电接整流滤波电路(2.1)，然后按顺序串联逆变电路(2.2)、中频变压器(2.3)、二次整流电路(2.4)三个部分，二次整流电路(2.4)两端分别接MAG焊枪(5.1)和母材(5.3)，电流莱姆(2.5)串联在二次整流电路(2.4)和MAG焊枪(5.1)之间，电压莱姆(2.6)并联在MAG焊枪(5.1)和母材(5.3)之间；其中的控制电路包括核心部分和驱动执行部分；核心部分包括MAG单片机(2.7)、电流采样及滤波(2.8)、电压采样及滤波(2.9)以及保护电路(2.10)；MAG单片机(2.7)与TIG焊接部分的TIG单片机(1.9)相连，形成通信，并连接电流采样及滤波(2.8)、电压采样及滤波(2.9)和保护电路(2.10)，接受他们传递的信号，与逆变驱动电路(2.11)相连，给予驱动信号；电流采样及滤波(2.8)和电压采样及滤波(2.9)的一端与MAG单片机(2.7)相连，另一端分别与主电路中的电流莱姆(2.5)和电压莱姆(2.6)相连；驱动执行部分包括逆变驱动电路(2.11)；逆变驱动电路(2.11)与逆变电路(2.2)相连，传递信号给保护电路(2.10)，并接收来自MAG单片机(2.7)的驱动信号；

前面板输入及显示(3)包括焊接参数给定(3.1)和焊接参数显示(3.2)；焊接参数给定(3.1)和焊接参数显示(3.2)均与MAG焊接系统中的MAG单片机(2.7)相连，进行显示和送丝信号与MAG单片机(2.7)的信号传递；

送丝系统(4)包括焊枪开关(4.1)、送丝给定(4.2)、气阀(4.3)和送丝机调速电路(4.4)；MAG焊接系统中MAG单片机通过光电隔离(4.5)与焊枪开关(4.1)、送丝给定(4.2)和气阀(4.3)相连，焊枪开关(4.1)、送丝给定(4.2)和气阀(4.3)通过送丝机调速电路(4.4)与MAG焊中送丝轮相连；

电弧能量输出(5)包括MAG焊枪(5.1)、TIG焊枪(5.2)和母材(5.3)；其中TIG焊枪(5.2)中的TIG电极与MAG焊枪(5.1)中MAG焊丝之间的距离为2-6mm，TIG电极与母材(5.3)之间的距离为3-7mm，MAG焊枪中的焊丝与母材(5.3)之间的距离为18-25mm。

2.一种采用如权利要求1所述焊接系统的控制方法，其特征在于：

MAG焊接系统(2)的MAG焊电弧和TIG焊接系统(1)的TIG焊电弧组成耦合电弧；MAG焊中，焊丝和母材之间形成主弧，采用短路过渡的熔滴过渡形式；TIG焊中，电极和焊丝以30度至60度的可调节角度形成辅弧；根据短路过渡中燃弧阶段和短路阶段的不同特点，以MAG和TIG输出总电流150A-250A为基础，控制TIG电源在燃弧阶段输出电流I₁，80A≤I₁≤200A，用来熔化更多焊丝填充焊缝；在短路阶段输出电流I₂，20A≤I₂≤80A，用来维持电弧的稳定性。