高频脉冲变极性焊接工艺性能研究

分析了高频脉冲电流对变极性焊接电弧特性、焊接工艺及焊缝性能的影响,试验结果表明,高频电流脉冲能够较大程度地压缩电弧等离子体、提高电弧轴向压力及电弧挺度,在相同焊接电流有效值的情况下,频率在5kHz以上的电流脉冲能将电弧力提高到普通变极性焊接的260%左右.同时高频脉冲电流能够提高变极性焊接的焊缝熔深,减小焊缝正面余高以及改善焊接效率.对于2219-T6时效强化铝合金而言,采用叠加10 kHz高频脉冲变极性焊接工艺,焊缝抗拉强度在未经任何焊后热处理的情况下能够达到300 MPa左右,相当于母材强度的67%.     

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.     

变极性等离子电弧压力的影响因素分析

利用U形压力计测试了不同工艺参数条件下的变极性等离子焊接的电弧压力,利用正交试验测试了不同正极性电流、反极性电流、正反极性时间比和等离子气流量四种参数条件下的电弧压力.结果表明,电弧压力随着这些因素的增加而增加,而四种因素对电弧压力影响的大小依次为:等离子气流量>正极性电流>正反极性时间比>反极性电流.分析原因,等离子气流量是通过冷却压缩提高电弧压力,压缩了电弧尺寸,而焊接电流则通过电磁压缩,但也提高了电弧半径.由于正反极性阶段电弧压力的差异较为明显.因此正反极性时间比对电弧压力也有显著的作用.

Abstract：

VPPA pressure was measured at different welding parameters by U-tube barometer method. The effects of different welding conditions on arc force, including straight polarity current, reverse polarity current, time ratio, plasma gas flow rate were analyzed by the orthogonal experiment. The results indicates that VPPA pressure increased with these four parameters, and the influences of the welding parameters are in order of plasma gas flow rate, straight polarity current, time ratio, and reverse polarity current. Then the mechanisms were discussed. The plasma gas can cool and compress the arc column and compress the arc radius, which increases the VPPA pressure; while the welding current increases the arc radius by electromagnetic compression, which enhances the VPPA pressure. Moreover, due to the great difference of VPPA pressure between straight polarity phase and reverse polarity phase, time ratio is also one of key factors to VPPA pressure.     

变极性等离子电弧压力的径向分布

变极性等离子焊接过程中产生的电弧压力将直接影响到熔池的形态以及最后的焊缝成形,因此对其的研究有着十分重要的意义.关于电弧压力径向上的分布规律的探讨,对于电弧以及熔池的力学分析及数值模拟也具有现实的指导意义.利用U形压力计测量了不同焊接电流条件下的变极性等离子弧压力沿径向的分布,讨论了其分布规律,认为变极性等离子弧压力的径向分布仍然属于高斯分布,而不是双面指数分布.同时发现,电弧压力随着电流的增加而增长,但是增长幅度趋于缓和.     

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。     

铝合金变极性等离子焊接电弧产热机理

从铝合金变极性等离子焊接电弧物理特性出发,研究了铝合金变极性等离子焊接电弧产热机理,分析了焊接参数对电弧热的影响规律。通过理论分析和试验研究,发现铝合金变极性等离子弧焊接时不对称电极特性对正、反极性期间电弧的产热具有很大的影响。反极性期间由于铝合金作为阴极,阴极压降大电弧产热量也增大。在变极性等离子弧焊接时正、反极性期间的焊接电流和持续时间等参数不同也是造成正、反极性等离子电弧产热不同的重要原因。     

变极性脉冲MIG焊接工艺

直流且焊丝为正极性的脉冲MIG焊，电孤稳定，焊缝熔深大，焊接薄板时，为了防止烧穿及熔池下塌。容易产生咬边等焊接缺陷。直流且焊丝为负极性的MIG焊，电弧沿焊丝上爬，电弧不稳定，熔滴不易过渡，焊接熔池浅，容易出现融合不良、凸焊道等焊接缺陷。变极性脉冲MIG焊，焊丝为正极性时控制焊丝熔化及熔滴过渡，焊丝为负极性时电弧沿焊丝上爬促进焊丝熔化及减小电弧对熔池的加热作用，减小焊缝熔深形成浅熔深的特性，焊接薄板具有独特优势，是MIG焊的最新研究进展。     

变极性TIG焊电弧压力分析

采用压力传感器获取不同条件下的变极性钨极氩弧焊(VPTIG)横焊时的电弧压力,研究分析了电弧压力在径向上的分布规律,对比研究了直流TIG焊、反极性期间占5%,15%的变极性TIG中心电弧压力.结果表明,变极性TIG焊电弧压力的径向分布属于双面指数分布.焊接电流在100~140 A范围内,在电流均值相等的情况下,由于反极性期间电子发射机制和电弧发散等原因,随着一个周期内钨极为正半波的时间比例增加,电弧压力逐渐减小,且焊接电弧积分力与电流的平方近似成正比例关系.     

变极性等离子弧焊电弧稳定性研究

本文较深入地分析了变极性（方波交流）等离子弧焊电弧稳定性问题，并在试验基础上提出了新的方法。克服了主电弧负半波时的主、维弧相互干涉和钨极烧损等缺点，提高了电弧的稳定性。在焊接铝、镁及其合金时阴极清理作用明显。     

A novel variable polarity welding power based on high-frequency pulse modulation

A new type of variable polarity welding power modulated with high-frequency pulse current is developed. Series of high-frequency pulse current is superimposed on direct-current-electrode-negative （DCEN）, which can improve the crystallization process in the weld bead as a result of the electromagnetic force generated by pulse current. Digital signal processor （DSP） is used to realize the closed-loop control of the first inverter, variable polarity output of the second inverter and high-frequency pulse current superposition.     

铝合金脉冲变极性等离子弧焊接工艺

研发了一种单电源双脉冲混合调制VPPA(variable polarity plasma arc,VPPA)焊接系统,在典型VPPA焊接基础上加入高低频调制脉冲,可输出1~5 kHz高频脉冲,1~2 Hz低频脉冲及高低频混合脉冲. 以3003铝合金为试验对象,采用脉冲VPPA焊接方法,对其进行焊接试验,并通过焊接接头拉伸性能测试、显微相组织分析及断口扫描电镜等手段对铝合金的焊接质量和接头性能进行了分析. 结果表明,由于高低频混合脉冲电流的周期性变化,对熔池产生搅拌、冲击作用,从而提高了焊接接头抗拉强度,细化焊缝晶粒组织,断口韧窝趋于均匀且密度增加,提高了铝合金焊缝质量.     

变极性等离子弧焊研究进展

变极性等离子弧焊的优点在于能够灵活调节特征工艺参数如电流频率、正负半波电流幅值及导通时间比，以满足铝合金焊接时的阴极清理和形成穿孔焊。介绍了国内外在实现变极性电流波形、电弧稳定性、阴极清理机理、小孔信号检测等方面的研究现状。指出保证前后级同步是双逆变电路形式的技术关键，双通道形式可克服主、维弧干涉并降低钨电极烧损。溅射、电介质击穿及瞬时熔化和蒸发是目前解释阴极清理机理的主要理论，重要的是工艺参数对清理的影响规律。近年来又出现了几种新的小孔检测方法，而正面检测及多传感信息融合仍是其主要发展方向。     

HPVP-GTAW电弧力及焊接质量分析

分别以3种不同材质铝合金平板材料为试验对象,研究分析了复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊接(HPVP-GTAW)过程中电弧力的变化及其对焊缝成形特征和接头力学性能的影响.结果表明,与常规变极性氩弧焊工艺相比,脉冲方波电流的加入使得HPVP-GTAW电弧力显著增加,同时焊缝熔透率大幅提高,接头力学性能得到明显改善和提高;保持脉冲电流幅值和占空比基本不变,在10～80 kHz范围内,脉冲电流频率对焊接过程产生了重要影响,频率为40 kHz时,HPVP-GTAW电弧力和焊缝熔透率均达到最大,分别约为常规变极性焊接电弧的1.9倍和1.7倍.     

Characteristics of arc in variable polarity plasma arc welding of aluminum alloy

A double invert variable polarity plasma arc （VPPA） power source based on 16-bit MCU applied for aluminum alloys was developed. Mechanics, electrical and the produced heat mechanism of VPPAW arc were tested and analyzed. Results indicate that during the VPPA welding procedure of aluminum alloy, the arc of electrode negative （EN） has more effect on force, whereas the arc of electrode positive （ EP ） has more effect on heat. It should be noted that keeping the balance of the force and heat is the critical element of VPPAW. This power source had been successfully used to weld aluminum alloy with a 15 mm thickness in vertical welding. The conclusions are applicable to the variable polarity plasma arc welding technique used in the aerospace industry.     

变极性穿孔等离子弧焊接系统的研制

介绍了铝合金变极性穿孔等离子弧焊接控制系统，利用80C196单片机作为控制系统的核心，研制了包括变极性电源、步进电机控制系统等部分在内的变极性焊接系统。该系统主要应用于铝合金变极性穿孔等离子弧焊接工艺。