铝合金TIG焊变极性参数对阴极清理及钨极烧损的影响

采用变极性钨极惰性气体保护焊(VP-TIG)方法焊接铝合金时,需要在保证阴极清理区宽度的同时减小钨极烧损程度。通过调节电极接正半波时间、电极接正半波电流和变极性频率,来考察铝合金VP-TIG焊接过程中变极性参数对阴极清理区宽度和钨极烧损情况的影响。试验结果发现,电极接正半波电流时间和电极接正半波电流的增大都会使阴极清理区的宽度和钨极烧损程度增大,但变极性频率对两者影响很小。进一步研究可以发现,阴极清理是一个热和力共同作用的结果,而钨极烧损是一个热量积累的作用结果。     

变极性TIG焊电弧负载特性及换向控制策略

通过对变极性TIG焊电弧负载特性试验研究,发现EN（钨极接负）时电弧的等效电阻小于EP（钨极接正）时电弧的等效电阻,而且随着电流的增大电弧等效电阻都减小,当从EP切换到EN时刻电弧等效电阻急剧减小。对电弧等效电阻的形成机理进行了分析,指出电弧等效电阻与阴极区、弧柱区、阳极区在不同电流条件下的工作机理有关,着重分析了阴极区电子发射和阳离子发射的机理。针对从EP切换到EN时刻电弧等效电阻急剧减小引起的电流冲击问题,提出一种变参数PI控制结合超前控制降低切换极性时的电弧冲击电流的控制策略？结果表明,控制策略既保证了焊接电弧的稳定,又显著降低了切换极性过程中电流冲击的峰值。     

变极性钨极氩弧焊电源主电路设计

设计的变极性钨极氩弧焊电源主电路采用输出功率较大的全桥式双逆变结构,选取绝缘栅极型晶体管IGBT为主控开关功率转换器件。对主电路组成部分涉及的元件进行了选取,并对二次逆变电路的工作过程进行了分析。对一次逆变部分的外特性进行了测试,并对实际焊接过程中的波形进行了测试分析。结果表明:该电源可获得电流频率、占空比、正负半波幅值均可独立调节的变极性波形,能够正常工作,该研究具有一定的实际应用价值。     

LD10铝合金变极性TIG焊试验

对变极性电源在LD10铝合金TIG焊中工艺特点进行了研究，探讨了影响气孔、阴极清理作用、钨极端头烧损的各种因素及其作用规律。研究表明变极性电源由于可调规范参数多、变化范围大、通过控制电源的输出电流波形，增大钨极为正半波的电流幅值，减少其时间，可满足阴极清理的基本要求，减少钨极烧损和气孔，灵活地控制焊缝成形，从而获得良好的焊接结果。     

变极性TIG焊微电流短路引弧技术研究

基于变极性TIG焊电弧的特点,在作者研发的双芯双逆变变极性TIG焊电源的基础上,设计出了一种针对变极性TIG焊的微电流短路引弧方式,将整个引弧过程分为:短路阶段、维弧阶段和电流缓升阶段。可以有效的解决变极性TIG焊在短路引弧时容易出现的钨极烧损、电流过冲等问题。并针对不同输出电源类型,不同被焊材料,进行了微电流引弧试验。试验证明:DCEN,DCEP,脉冲输出时均能实现短路电流为1~2 A的微电流稳定引弧,未出现明显的钨极烧损,引弧成功率高并且没有出现熄弧的现象。     

接触式引弧方式在变极性TIG焊中的应用

在已搭建的双逆变变极性TIG焊接电源系统平台上,为保证电源的正常使用,设计了一种适用于变极性电源的TIG焊的接触式引弧方式,该方式将整个引弧过程分为接触阶段、维弧阶段和电流缓升三个阶段。接触阶段和维弧阶段的电流大小、电流变化速度都是可调节的。实验证明,该引弧方式不仅能应用于TIG焊变极性电源而且也适用于脉冲电源,并且有效避免了传统电源中接触式引弧常见的钨极烧损和电流过冲问题。     

基于TM320LF2812的数字化变极性钨极氩弧焊电源

设计了基于TMS320LF2812的数字化变极性钨极氩弧焊电源,该电源采用IGBT双逆变技术,一次逆变采用移相式软开关零电压、零电流PWM全桥电路(FB-ZCZVS-PWM)实现恒流闭环控制;二次逆变采用耦合电感型半桥逆变拓扑实现极性转换,设定特定的换向电流值使电源系统具有较宽的输出电流调节范围,兼顾了小电流焊接情况下的电弧稳定性和大电流焊接情况下二次逆变电路中IGBT的安全性.焊接试验结果表明,电源输出电流调节范围宽,焊接电弧稳定,焊缝成形优良、美观.     

变极性TIG焊的微电流短路引弧方法

基于变极性TIG焊在铝合金焊接时的电弧特点,设计出一种针对变极性TIG焊的微电流短路引弧方式,可以有效解决变极性TIG焊接,特别是DCEP(电极接正、工件接负)状态时,接触引弧容易出现的钨极烧损问题。该短路引弧方式将整个变极性短路引弧过程分为短路、维弧以及电流缓升三个阶段,其中短路阶段的电流可以取2～3 A的微电流进行引弧。实验证明,其引弧成功率较高,微电流短路引弧的效果理想。     

交直流混合VPPA特性及铝合金立焊工艺

厚板铝合金变极性等离子弧(VPPA)穿孔立焊工艺中,由于焊接电流大,长时间焊接时钨极的烧损量大,严重影响厚板大结构自动焊接质量.为此提出了通过交直流混合输出减少钨极烧损,同时提高焊接质量的新型铝合金变极性等离子弧穿孔焊接方法.该方法在保证氧化膜清理的前提下,减小了因反极性时间过短电弧在极短时间内两次过零造成的等离子弧力下降和过大的感应电动势对开关器件的损害.其次交直流混合输出电弧具有低频调制效果,起到熔池振荡、细化晶粒的作用.在实现交直流混合VPPA软硬件功能基础上研究了交直流混合VPPA等离子弧力学特性、焊接过程稳定性及焊缝成形机理.通过对焊缝显微组织及焊缝成形检验发现,交直流混合输出时焊缝晶粒细化,焊缝成形美观,实现了减少钨极烧损和提高焊缝质量双重目标.     

VPTIG焊接电流参数对电弧形态及焊缝质量的影响

采用高速录像系统、记忆示波器同步实时采集变极性氩弧（VFFIG）焊接电流、电弧形态信息,比较分析了VFFIG焊接电流频率、直流电极接负（DCEN）时间和直流电极接正（DCEP）时间、DCEN及DCEP电流幅值5个参数对电弧形态及焊缝质量的影响。结果表明,通过调节以上5个参数,可以控制电弧形态、电弧力及焊接热输入,从而控制熔深及焊缝正反面成形;控制焊缝两侧清理区宽度;减少钨极烧损。采用平板对接低频脉冲调制铝合金VFFIG焊接工艺,单道焊熔深可达6min,焊缝成形良好、质量可靠。     

发展中的变极性焊接电源技术

变极性电源是一种用于铝合金焊接的新型焊接电源，其焊接电流频率和正负半波电流幅值，时间比可以分别独立调节，输出电源过零极快，因此电弧稳定性得到大大改善。在保证阴极清理作用的前提下，可以最大限度地减少钨极的烧损。目前主要应用于TIG焊和PAW焊中，和焊接铝及铝合金。随着电弧信息测控技术的不断进步，将加深对变极性焊接过程的认识，促进变极性焊接电源的发展和应用。     

变极性TIG焊接电源的研制

变极性TIG焊接电源是一种用于铝合金焊接的新型焊接设备，其焊接电流频率、正负半波电流时间和幅值都可以分别独立调节。主电路结构采用2级逆变，前级为全桥逆变式结构，后级为半桥逆变式结构。该电源可实现变极性方波交流、直流、脉冲电流等多处输出。在DCEN向DCEP过渡时采用叠加电流脉冲进行稳弧，小电流时焊接电弧也十分稳定。调节正负半波的幅值、频率及占空比能满足铝及铝合金的焊接工艺要求。     

VPPAW工艺的变极性焊接电流受控稳定性

在铝合金的变极性等离子弧焊(variable polarity plasma arc welding,VPPAW)工艺中,变极性焊接电流的受控稳定性是确保焊接成形质量的前提. 然而,等离子电弧形态会随焊接电流极性的切变而变化,使得等离子电弧作为VPPAW电源的输出负载具有显著的非线性特性,常规比例积分微分(proportional integral derivative, PID)控制策略无法确保VPPAW电源输出电流波形畸变,而输出焊接电流波形的畸变又会进一步加剧电弧负载的非线性特性,降低变极性焊接电流的受控稳定性. 为了改善VPPAW工艺的变极性焊接电流的受控稳定性,研究了常规PID控制策略下铝合金的变极性等离子弧穿孔立向上焊接工艺的焊接电流受控稳定性以及等离子电弧的动态稳定性,引入了模糊控制理论,基于现场可编程门阵列(field programmable gate array, FPGA)的并行逻辑时序设计方法,设计出了一种具有并行运算能力的模糊PID控制器. 验证试验结果表明,具有并行运算能力的模糊PID控制器能够有效地改善VPPAW工艺的变极性焊接电流波形的受控稳定性.     

双脉冲变极性波形对铝合金TIG焊焊接质量的影响

研究设计了基于单片机控制的双脉冲混合调制变极性TIG焊接电源,该焊接电源以MSP430单片机为控制核心。将脉冲电流调制功能和变极性功能相结合,在变极性电流波形的基础上同时进行高低频混合脉冲调制。高低频混合调制变极性电流波形在保证铝合金清理效果、降低钨极烧损、提高电弧稳定性的前提下,可以减少气孔、控制焊缝成形,提高焊缝的拉伸强度和延伸率。试验表明,采用该电流波形焊接6mm厚的LD10铝合金,焊缝成形良好、力学性能高、气孔很少,从而获得了良好的焊接效果。     

铝合金变极性TIG焊接电弧行为

分别采用正弦波变极性和方波变极性氩弧焊对铝合金试板进行了焊接试验,利用高速摄像机和汉诺威分析仪分别对焊接过程中变极性电弧形态及电信号进行采集分析. 结果表明,电弧电压概率密度分布和高速摄像图证实了较小焊接参数条件下正弦波变极性比方波变极性电弧稳定性差的现象. 正弦波变极性TIG电弧随EP(反极性)的增加清理宽度增加,但熔宽未增加,证明此条件下正弦波变极性TIG电弧过于发散;焊接参数较大时,随EP的增加,正弦波变极性熔宽变宽,证实正弦波变极性TIG电弧稳定性随之提高,证明了铝合金变极性TIG焊接过程中EP极性电弧产热大于EN极性电弧能量的本质特征.     

微机控制的变极性TIG焊电源的研制

开发了一套变极性TIG焊电源的微机控制系统,通过调节输出电流的正负半波的时间、幅值获得不对称方波,同时对硬件电路原理和软件模块化结构的设计进行了分析和讨论。试验结果表明,焊机设计合理,输出电流的波形可控,完全能够满足铝合金TIG焊的工艺要求。     

基于SiC模块的脉冲变极性焊接电源研制

SiC功率器件具备开关速度快、开关损耗低、导通损耗小等优点,有利于进一步提升焊接电源的逆变频率、响应速度,实现电弧能量的精密化控制. 设计了一套脉冲变极性逆变焊接电源,主电路采用双逆变结构,前级高频逆变电路采用SiC模块,后级低频调制逆变电路采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT模块;设计了SiC模块驱动电路,实现了快速短路保护及米勒钳位;设计了基于ARM的全数字化控制系统,实现了PWM (pulse width modulation)以及输出电流波形的数字化控制.研制的脉冲变极性焊接电源逆变频率达到100 kHz,额定输出电流为500 A,可实现规整的脉冲变极性波形输出.结果表明,研制的基于SiC模块的脉冲变极性焊接电源能够实现稳定的焊接流程,可通过波形参数的调整有效控制焊接热输入量,获得良好的镁合金焊缝成形.     

变极性TIG焊接电弧多信息测试分析系统

以研制的变极性TIG焊接电源为实验平台,采用记忆示波器、高速摄像救、光谱分析仪、焊接电弧动态分析仪,建立起变极性TIG焊接电弧多信息测试分析系统,同时采集焊接电流、电弧电压、电弧形态和电弧光谱等重要信息。并基于Visual C-语言开发的软件系统对采集的各种信息进行融合及分析。