维弧对变极性等离子电弧特性的影响

变极性等离子弧(Variable polarity plasma arc, VPPA)焊接在厚板铝合金焊接中具有独特的优势.维弧及其维弧电源对变极性等离子电弧形态、力学特性和电弧静特性等有重要影响.通过高速摄像、压力传感器和基于工控机的信号检测系统,分析了维弧对变极性等离子电弧形态、电弧力和焊接工艺的影响规律.发现在变极性等离子弧反极性期间由于维弧电源的分流作用,电弧力下降,并易造成双弧和降低电弧电压等现象.试验结果对变极性等离子弧焊接工艺稳定性及其焊接过程控制有重要的理论指导意义.     

新型柔性变极性等离子弧铝合金横焊技术研究

针对中厚板铝合金横向焊接的技术需求和瓶颈问题,开展变极性等离子弧穿孔横焊技术的研究。以8 mm厚铝合金板为研究对象,进行常规变极性等离子弧穿孔横焊试验,发现横焊穿孔熔池很难建立。通过横焊穿孔熔池受力计算、熔化金属流动分析,探究问题产生的原因。推导出熔池背面小孔临界半径与表面张力、电弧力和重力之间的关系式。当受力状态满足关系式时,小孔熔池才能闭合、形成焊缝。依据上述理论,提出柔性变极性等离子弧。该电弧在保证穿孔前提下,通过降低电弧压力,增大小孔临界半径,促进了穿孔熔池的稳定建立。利用该技术实现了8 mm板厚2219铝合金的穿孔横向焊接,接头成形优良。焊前预热和表面氧化膜刮削可大幅度降低横焊接头气孔缺陷。     

变极性等离子双弧及其控制

等离子电弧由于受机械压缩、热压缩和电磁压缩三种压缩效应,电位梯度高,当焊接参数不当时易出现双弧。在铝合金变极性等离子弧焊接反极性期间由于电弧相对正极性期间电弧发散,更易出现双弧。焊接电流与离子气流量的合理匹配、喷嘴孔径与电极内缩量的配合以及变极性等离子弧焊接电源结构等是影响变极性等离子弧双弧的主要因素。通过改进焊接电源的结构及控制方法,即在维弧电源主回路上串接MOSFET管,通过MOSFET管的开通与关断来实现对维弧电源主回路的通断控制,从而避免了铝合金变极性等离子弧焊接反极性期间维弧电源分流形成双弧。通过合理选择焊接参数有效解决了铝合金变极性等离子弧焊接时的双弧现象,在厚板铝合金变极性等离子弧焊接中获得了理想的焊接质量。     

新型变极性等离子弧横焊热-力特性及成形研究

针对铝合金穿孔型等离子弧横向焊接,开展新型变极性等离子电弧热-力特性及横焊成形研究。通过设计变极性等离子弧喷嘴,控制电弧热-力特性来提高横焊穿孔稳定性。对不同热-力特性进行研究,比较三种喷嘴的电弧形态、电弧力和电弧阳极电流密度的数值与分布,分析认为新型电弧的热-力特性在横焊穿孔成形稳定性方面具有优势。依据电弧压力波形稳定性和穿孔稳定性进一步验证新型等离子电弧的作用效果,验证得出新型等离子电弧瞬间电弧压力波动较小,背面穿孔形状似圆形,且穿孔面积变化较小。通过分析穿孔熔池宏观轮廓,得到新型热-力特性对熔池行为的直接影响。利用高速摄像捕捉横焊穿孔熔池的稳定形成过程,证明较高电弧能量、较低电弧压力相配合更有利于穿孔熔池形成和稳定;同时观察到横焊熔池的稳定流动过程,并对熔池金属进行受力分析,认为新型热-力特性容易满足横焊熔池金属在流动过程中达到受力平衡,最终实现了8 mm铝合金穿孔等离子弧横焊稳定成形。     

变极性等离子弧焊接熔透信息的检测与分析

通过对铝合金3003变极性等离子弧穿孔立焊熔池振荡行为的研究,发现熔池振荡频率与焊接熔透之间的内在规律。在变极性电流的作用下,焊接熔池产生振荡,可以通过对电弧电压频谱分析获得熔池固有振荡频率。分别建立变极性等离子弧穿孔立焊未熔透及完全熔透熔池模型,并分析焊接电流的变化对熔池固有振荡频率的影响,发现焊接电流大小对其影响很小,可以忽略。为了验证该模型的准确性,进行理论与实测分析,结果表明,理论值与实测值相吻合。熔池固有振荡频率主要取决于熔池宽度、深度及材料密度等参数,而其他焊接参数对其没有直接影响。因此,熔池振荡频率可间接反映焊接熔透信息,为焊接质量自动控制提供了理论支持。     

铝合金变极性等离子弧焊温度场数值模拟

通过高速摄像对正、负极性等离子弧形态进行分析,并分析变极性等离子电弧正、反极性不同产热机理的基础上,采用“高斯+双椭球”组合热源模型,建立正、反极性期间不同热源模型。采用ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language, APDL)编程语言实现与实际变极性焊接参数对应热载荷的循环交替加载,计算出铝合金变极性等离子弧焊接温度场及熔池形状。对比分析不同变极性电流和焊接速度条件下焊接熔池的穿透深度,并通过实际焊接试验验证热源模型的准确性。研究结果为准确掌握铝合金变极性等离子弧热源形态、产热机理和等离子弧力等特性,并合理选择焊接工艺参数提供理论依据。     

维弧对铝合金变极性穿孔型等离子弧行为的影响

在铝合金变极性穿孔焊接的工艺中,维弧对变极性电弧的行为有着重要影响。在反极性时间内,主电流会通过维弧电源经过喷嘴形成自由电弧,产生双弧现象,增大喷嘴的烧损,影响反极性电流对工件的阴极清理作用,甚至会产生主、维弧相干涉的现象。通过改善变极性电流的波形可以达到在焊接过程中引燃主电弧后,关断维弧,彻底解决主、维弧相干涉的问题。     

变极性等离子弧立焊穿孔熔池的稳定建立

改进焊接工艺控制时序,编制起弧系统控制平台及信号采集程序。采用改进的起弧系统对2219铝合金和LF6铝合金薄板及中厚板进行变极性等离子弧立焊工艺试验,利用红外线测温仪检测起弧过程中焊接熔池区域附近的点随预热时间的温度变化,并把该曲线上的临界温度作为检测穿孔熔池是否形成的标志,计算机根据穿孔时刻的临界温度控制焊件行走的使能信号。研究表明：改进的起弧系统能够简化设备操作,提高自动化程度与工作效率;在穿孔形成的瞬间,检测点的温度有一个从高到低的突变过程(穿孔前的瞬间温度达到临界值),而且对于同一检测点,多次测量得到的临界温度基本稳定;起弧阶段向主焊接阶段过渡稳定,能够实现穿孔熔池的稳定建立,从而验证改进的起弧控制系统的可行性及可靠性。     

国内简讯

交流方波双通道等离子弧焊机目前,铝及铝合金的焊接,应用最多的方法是采用正弦波交流钨极氩弧焊和反极性直流氩弧焊。这两种方法中,前者存在电弧稳定不易控制和直流分量问题,后者由于钨极烧毁严重,带来了焊缝严重渗钨问题。故均不是最佳的焊接方法。沈阳机电学院研制了交流方波弧焊电源作为等离子弧的能源。该     

工艺参数对铝合金变极性等离子横焊接头的影响

采用变极性等离子弧对厚度6 mm的2219铝合金进行横焊工艺研究,详细分析了工艺参数对接头形貌、组织及力学性能的影响。研究结果表明:当增大喷嘴中心孔孔径,焊枪略微向上倾斜,工艺参数匹配合理时,变极性等离子弧能够获得形貌较好的横向焊缝。接头抗拉强度约为260~270 MPa,达到母材的59%,延伸率约为3.5%。在焊接电流较小,焊接速度较快时,接头可获得细小的等轴晶组织。     

复杂航天筒体结构件的焊接应力应变演变规律

采用有限元分析手段对复杂航天筒体结构件的纵向和环向焊缝温度场和应力场进行模拟。航天筒体焊接采用变极性等离子弧焊工艺,根据变极性等离子弧焊工艺特点使用面高斯热源和圆柱热源的组合热源模型作为变极性等离子弧焊的热源。采用ANSYS软件中ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language, APDL)编写程序,实现变极性等离子弧焊接热源在筒体结构上加载和移动,完成四道纵缝和两道环缝的焊接热力过程仿真。通过对模拟结果分析,解释复杂筒体焊接应力应变的演变过程。发现在焊接过程中纵缝两端有明显的应力-应变释放,交叉部位的变形直接影响到结构整体的尺寸精度。     

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。     

Experimental Analysis on the Variable Polarity Plasma Arc Pressure

Arc pressure is one of the key factors for variable polarity plasma arc(VPPA) and welding pool formation. In this paper, VPPA pressure is measured by pressure transducer and U-tube barometer methods, and advantages and disadvantages of the two methods are compared. The effects of welding parameters, including with straight polarity(SP) current, reverse polarity(RP) current, time ratio of SP to RP, plasma gas flow rate, on VPPA pressure are investigated by using an orthogonal design. The experimental results indicate that the influencing degree of the welding parameters are in the order of plasma gas flow rate, SP current, time ratio of SP to RP, RP current. These results are important to researches of VPPA welding process and its mechanism. The physics behavior of VPPA is taken into account when the above influence mechanisms are analyzed. Firstly, according to the mechanism of the cooling compression to the arc, the compression to VPPA is enhanced with the increase of plasma gas flow, so the VPPA pressure would increase obviously. Secondly, although the temperature of VPPA is as a function of the welding current, the radius of VPPA is also enhanced. So the effects of SP current on VPPA pressure are inferior to the effects of plasma gas flow. Thirdly, VPPA pressure increases as a function of time ratio of SP to RP because the frequency of welding current influences the arc pressure to the some degree; Finally, the RP intervals are farther less than the SP intervals, so the influence to the pressure is minimal.     

Investigation on droplet momentum in VPPA-GMAW hybrid welding of aluminum alloys

Variable polarity plasma arc-gas metal arc welding (VPPA-GMAW) is a superior technology for welding thick plates of high-strength aluminum alloys. It integrates the advantages of energy focusing and high penetration depth in VPPA welding, and those of high welding efficiency and wide range of technological parameters in GMAW process. In this work, we investigated the droplet momentum in paraxial VPPA-GMAW hybrid welding of 7A52 aluminum alloys, and the technological parameters of welding process was also optimized. The images of droplet transfer were captured by high-speed camera, while the droplet speeds and sizes were statistically analyzed by t tests of independent samples. The results showed that the speeds of droplet arriving at the weld pool were significantly between GMAW and VPPA-GMAW processes, and the droplet speed increases with increasing plasma currents within a certain range. Meanwhile, the droplet momentum in VPPA-GMAW process is larger than that in conventional GMAW process. We also found that as the droplet momentum increased, the depression of weld pool grew more obvious and greatly facilitated the deep-penetration welding. In VPPA-GMAW process, it became more and more easier for the droplet to fall off the wire when the electromagnetic force gradually increased during pulse period. Droplet movement through the arc zone was further accelerated since the central pressure of arc column increased during base period. This research can provide some theoretical support for thick plate welding of high-strength aluminum alloys and help for deeper understanding of the hybrid arc coupling mechanism.     

镁合金变极性等离子弧焊接头的微观组织分析

采用变极性等离子弧焊接实现了AZ31B变形镁合金板材的优质连接,焊后利用光学显微镜、电子探针 (EPMA)和X射线衍射(XRD)仪对焊接接头的微观组织、元素分布以及相组成进行了分析。结果表明,镁合金变极性等离子弧焊接头中没有明显的热影响区存在,接头成形好,焊缝组织均匀,晶粒细小;接头中主要的合金元素 Al、Zn在焊缝中分布均匀,没有发现区域偏析;接头中没有发现明显的Mg17Al12或其他杂质相的存在;由于焊接过程中存在着镁的蒸发、烧损,导致接头硬度值在沿焊缝的横向和纵向两个方向上都稍有变化。变极性等离子弧焊方法能够改善镁合金焊接接头组织并提高接头的性能,是一种理想的提高镁合金焊接质量的方法。     

活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究

采用多组元活性剂AF305进行铝合金交流A-TIG焊时,熔深达到传统TIG焊的3倍以上。进行了交流、直流正接和直流反接A-TIG焊,发现极性不同时活性剂对熔深的影响也不同。研究了强制电弧收缩对交流焊熔深的影响,发现弧根整体收缩并不是AF305增加交流A-TIG焊熔深的主要机理,熔深显著增加主要与焊渣成片分布有关。对焊渣进行了SEM形貌观察和EDS成分分析,并采用氦弧焊证实了焊接过程中焊渣在熔池表面成片分布,电弧斑点极大收缩。向AF305活性剂中添加铝粉改变焊渣分布,研究焊渣分布与熔深的关系,证实了焊渣成片分布能增加焊接熔深。认为焊渣成片分布使得电弧斑点极大收缩,斑点压力以及电弧和熔池内的Lorentz力增强,最终焊接熔深显著增加。