脉冲变极性等离子弧焊接系统及其特征信号分析

研制基于单片机控制的具有高低频调制脉冲功能的双逆变变极性等离子弧(Variable polarity plasma arc,VPPA)焊接系统,检测并分析叠加不同高低频脉冲参数条件下该焊接系统输出信号的特征,并对系统进行实际焊接试验,结果表明系统运行良好。从特征信号的时域及频域分析发现,当高频脉冲频率提高到2 kHz时,与1 kHz相比较,脉冲上下降沿斜率降低1.2倍,高次谐波量增加1.4倍。由焊接试验结果得出,当高频脉冲频率及正反极性电流等工艺参数选择合适时,可以得到比典型VPPA焊接更加优越的焊缝成形,获得具有均匀鱼鳞纹的理想焊缝。从焊缝显微组织的分析发现,脉冲VPPA焊接工艺得到的焊缝晶粒比典型VPPA焊缝晶粒细小,因此该焊接工艺对进一步提高航空航天高强铝合金焊接质量具有重要意义。     

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。     

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。     

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.     

大厚度铝合金变极性等离子弧穿孔立焊技术

研制以16位单片机为控制核心的双逆变型铝合金变极性等离子弧穿孔立焊专用设备,测试并分析变极性等离子电弧力学特性,对变极性等离子弧稳定性、电弧力和电弧能量的传递特征进行了深入的探讨。研究发现铝合金变极性等离子穿孔焊接中正极性电弧对力更具影响,而反极性电弧对热更具影响,实时保持穿孔熔池上热和力的平衡是厚板变极性等离子弧稳定穿孔焊接关键所在。用自行研制的设备成功实现了15 mm LD10铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺,研究结果对于将变极性等离子弧焊接工艺应用到我国航空航天等领域具有重要的现实意义。     

数控变极性等离子弧焊中心的研究设计

本文结合焊接技术的特点和社会经济发展的要求,研究设计的数控变极性等离子弧焊中心采用了DSP控制技术,通过编程,实现焊接过程的数字化控制,配以焊缝的自动跟踪,达到各轴各参数相互间的有机联动,实现整个系统的自动化,完成不同形状大小焊缝的成形控制.     

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。     

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。     

厚板铝合金变极性等离子弧横焊接头性能分析

以厚度8 mm的2219铝合金为对象,采用变极性等离子弧工艺,获得了焊缝成形良好的横焊接头。通过分析对比焊接电流与离子气流量匹配关系,获得了横焊工艺规范窗口。同时,研究了横焊接头不同区域组织及力学性能。结果表明:采用焊接工艺窗口内的参数焊接的横焊接头,抗拉强度约为240~250MPa,延伸率在3.1%~3.5%之间,接头断裂位置主要发生在接头上部熔合线附近的气孔密集区。接头组织具有不对称性,上部组织更为细小,接头中心位置显微硬度最低,两端热影响区硬度逐渐增高。     

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。     

KEYHOLE IMAGE PROCESSING OF VARIABLE POLARITY PLASMA ARC WELDING BASED ON WAVELET TRANSFORM

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＴｈｅｖａｒｉａｂｌｅｐｏｌａｒｉｔｙｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ (ＶＰＰＡＷ )ｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ[1,2 ] .Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｗｅｌｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｓｔｉｌｌｔｈｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｉｓｓｕｅ.Ｏｎｅｏｆｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅａｐｐｒｏａｃｈｅｓｉｓｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｏｆｔｈｅｋｅｙｈｏｌｅｂｙｔｈｅｉｍａｇｅｓｅｎｓｏ…     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊研究

成功实现了2.5 mm厚薄板镁合金AZ31的搅拌摩擦焊接。试验结果表明,接头外观优美,表面光滑,没有裂纹,背部搅拌熔合充分。微观组织、拉伸、弯曲和显微硬度试验显示镁合金的搅拌摩擦焊可以得到良好力学性能的接头(接头抗拉强度达母材强度的90％左右);显微组织特征显示接头有明显分区,焊缝中心生成等轴、微细的晶粒。     

活性剂等离子弧焊焊接电弧的特性

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,采用红外热像伪着色法测定了活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立了活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型,对焊接电弧外形的变化,焊接电弧电压与活性剂之间的关系进行了研究。研究结果表明：活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大。电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式。活性剂等离子弧焊焊接电弧收缩,弧尾翼消失,尾焰加大,电弧穿透力增强,电弧电压升高。     

等离子弧焊接穿孔行为的声信号传感

使用高精度传声器采集穿孔型等离子弧焊接过程中的声音信号 ,围绕焊接过程中出现的“小孔效应” ,开展了等离子弧焊接熔透的声音信号传感方法的研究。结果表明 ,焊接过程中的声音信号在熔池的过渡阶段产生了剧烈的低频振动 ,与熔池的振动有关 ,说明声音信号的低频段分量中包含有熔池穿孔状态的信息。频域分析表明 ,声音信号的低频段分量 (0～ 10 0Hz) ,在熔池处于不同阶段时有明显的变化 ,熔池处于过渡阶段时其值大 ,穿孔后小 ,未穿孔时居中。据此 ,设计出了声音信号的A算法 ,用于识别焊接过程中熔池的穿孔状态 ,该算法可靠性较高 ,为等离子弧焊接熔透质量监测及闭环控制提供了前提条件     

不锈钢等离子弧焊熔池小孔行为的弧光传感研究

针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程,熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合,弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变,该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的,而且通过检测敏感谱线的辐射强度可以优化传感信号品质。     

镁合金激光-TIG复合热源焊接热源模型的建立及其数值模拟

根据YAG激光-TIG复合热源焊接的物理特征,建立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的新型复合热源焊接模型。该模型的建立并非简单的热源叠加,而要考虑材料本身特性与复合焊接特点。在此基础上,针对镁合金AZ31B进行了复合热源焊接温度场、焊缝断面形状的数值模拟,提出了热源模型建立过程中的参数修改建议。与实测结果比较表明建立在双热源基础上的复合热源模型能准确地模拟镁合金的复合焊接过程;数值模拟结果验证了镁合金复合热源焊接高速、能量增强和热影响区窄的特点。     

高速电弧喷涂层的组织与性能

对比研究了高速电弧喷涂和传统电弧喷涂层的表面形貌、显微组织结构以及结合强度、耐磨性等力学性能。结果表明,高速电弧喷涂层组织致密、孔隙率低,涂层具有良好的综合力学性能,涂层拉伸结合强度比传统电弧喷涂提高40％以上,涂层耐磨性提高一倍以上。