气流再压缩等离子弧焊接工艺初步探究

等离子弧焊接在中厚板焊接领域具有重要的应用前景.自主设计搭建了气流再压缩等离子弧焊接系统,开展了气流再压缩等离子弧焊接新工艺试验研究.通过焊接过程监测系统分析焊缝成形,温感扫描图可以比较准确的反映实际焊缝成形.针对8 mm厚的304不锈钢,焊接电流为150 A时,常规等离子弧焊接熔深为6.53 mm;气流再压缩等离子弧焊接可以完全熔透工件,且正面焊缝和背面焊缝成形良好.结果表明,相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,气流再压缩等离子弧焊接电弧电压升高;气流再压缩等离子弧焊接可以提高焊接熔透能力.     

气流再压缩等离子弧焊接电弧行为

电弧等离子体行为对焊接接头组织结构和性能具有决定性作用,开展气流再压缩等离子弧特性研究对于指导先进材料的气流再压缩等离子弧焊接工艺和提高焊接接头质量具有重要意义. 针对气流再压缩等离子弧焊接新工艺,基于流体动力学和电磁理论,建立气流再压缩等离子弧数值分析模型,采用ANYSYS Fluent软件,通过C语言进行二次开发,定量计算等离子弧温度分布、流场分布、电势分布,分析压缩气对等离子弧温度场、流场、电弧电压的影响规律. 模拟结果表明,压缩气对喷嘴内的等离子弧温度分布基本没有影响,压缩气对喷嘴外的等离子弧具有拘束压缩作用;压缩气对等离子弧流场分布基本没有影响;压缩气能够提高电弧电压. 相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,气流再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力有望提高.     

基于Lab VIEW的熔化极等离子弧焊接电弧电信号分析

在熔化极等离子弧焊接(plasma-MIG)试验系统基础上,设计电流、电压信号采集系统,对其电弧电特性信号进行采集,用虚拟仪器软件LabVIEW对其进行处理,得到U-t,I-t,U-I相图.比较了熔化极等离子弧焊与常规熔化极气体保护焊电弧电信号的不同,前者电流、电压波动很小,后者波动很大;研究了熔化极等离子弧焊接方法中MIG电流增大对电弧电信号的影响,并对熔化极等离子弧焊接的不稳定电弧电信号进行了分析,发现内弧对外弧的影响有一定规律性.     

基于多信号检测的等离子弧焊接平台构建

焊接过程的准确检测是实现高效优质焊接的基础。实现等离子弧焊接过程的多信号检测对于指导等离子弧焊接工艺具有重要意义。文中搭建了基于多信号检测的等离子弧焊接平台,该等离子弧焊接平台包括等离子弧焊机和焊枪系统、机械运动机构、视觉检测系统、焊接过程监测系统、计算机控制系统等;通过视觉检测系统拍摄了等离子弧焊接电弧形态,测量出了喷嘴出口处的电弧直径与工件上表面电弧直径比值为0. 64,证实了等离子弧焊接电弧挺度高,发散程度小;通过焊接过程监测系统,拍摄了焊缝温感扫描图,在线实时监测了等离子弧焊接焊缝成形,结果表明温感扫描图可以比较准确地反映等离子弧焊接的实际焊缝成形。     

PAW受控脉冲穿孔状态的检测与控制

根据受控脉冲穿孔的控制策略,研制出等离子弧焊接(PAW)小孔状态的检测与控制系统,采用等离子弧尾焰电压作为表征小孔状态的传感检测信号,对不同焊接电流作用下的焊接过程进行实时监测,系统可以同时采集焊接电流和尾焰电压信号,并对信号进行分析、处理,建立了焊接电流、尾焰电压和背面熔宽三者之间的定量关系曲线.结果表明,尾焰电压信号能够迅速准确地反映出小孔状态和焊缝背面熔宽.根据检测试验得到的数据,建立穿孔型PAW焊接闭环控制系统,通过对普通平板和改变散热条件工件进行闭环控制焊接试验,获得了适当的焊缝背面熔宽及良好的焊缝质量,证明了该系统运行稳定、可靠.     

Plasma-MIG复合电弧焊接特性分析

采用Plasma-MIG复合电弧对Q235低碳钢进行堆焊试验,对焊接过程中复合电弧形态、电弧空间分布、焊缝成形及细晶原理进行了分析.结果表明,Plasma-MIG复合电弧焊接过程中,外层等离子电弧单独存在,内层MIG电弧在焊丝端部与外层等离子弧耦合.复合电弧空间温度分布均匀,高温停留时间短,冷却速度快.Plasma-MIG复合电弧在大的等离子电流下,促进填充金属润湿铺展,焊缝熔宽大,成形美观.相同热输入量条件下,等离子电流增大能够促进晶粒自发形核,原奥氏体晶粒及焊缝组织得到细化.     

低压环境对等离子弧穿透能力的影响

设计了一套水冷铜阳极电弧力测试装置,测量了不同环境压力下等离子弧在穿透一定厚度工件后电弧压力的径向分布情况,研究了焊接电流、环境压力对于穿透电弧压力的影响规律. 结果表明,等离子穿透电弧压力在电弧中心区域最大,沿着径向从中心至边缘迅速减小. 在同一环境压力下,随着焊接电流的增加,等离子穿透电弧压力增大;当焊接电流相同时,在一定的压力范围内,随着环境压力的降低,等离子穿透电弧压力显著增大,且环境压力变化对于等离子穿透电弧压力的影响比焊接电流变化对其的影响更显著.     

CO_2气体保护焊电弧稳定性评价指标研究

本试验采用汉诺威焊接质量分析仪对电弧电压和焊接电流信号进行采集,并自动生成电压电流波形图、电弧电压和焊接电流的概率密度分布图(PDD图)及短路时间、燃弧时间、加权燃弧时间、短路周期的频次分布图(CFD图),并分析电弧过程的电特性,找到熔滴过渡以及焊缝成形的主要影响因素。结果表明:电弧电压和电流对短路过渡有明显影响。电弧电压影响电弧稳定性、飞溅大小、焊缝熔宽等。电压偏低,过渡过程不稳定,飞溅较大;电压偏高,将会出现混合过渡;当电弧电压在18V时,电弧稳定性较好。焊接电流影响焊丝熔化速度、过渡频率、飞溅大小、焊缝质量等。电流偏低,出现断弧现象,焊缝成形差;电流过高,飞溅大,电弧不稳定,出现无效短路;焊接电流在160 A左右焊接电弧较稳定,飞溅少,焊缝成形好。     

等离子-MIG复合焊接熔滴过渡及电弧耦合特性研究

通过电信号采集系统和高速摄像采集系统对等离子-MIG复合焊接的电流信号、电压信号和熔滴过渡过程进行了同步采集,研究了等离子-MIG复合焊在不同焊接规范下最佳的熔滴过渡方式,对等离子电流对熔滴过渡的影响及复合焊接电弧耦合关系进行了分析。结果表明,等离子-MIG在不同焊接规范下均能实现良好的射滴过渡。在等离子-MIG复合焊接过程中,等离子电流对MIG焊的焊丝伸出长度和熔滴过渡有影响,随着等离子电流增加,MIG焊焊丝伸出长度逐渐缩短,直至由一脉一滴转化为一脉多滴;等离子弧与MIG弧相互耦合,MIG弧的加入使得等离子弧的电压升高,而等离子弧对MIG弧几乎没有影响。     

双电极焊条单弧焊工艺

介绍了双电极焊条单弧焊工艺.该工艺工件不接电源,电弧在双电极焊条相互绝缘的两个焊芯之端部形成,电弧可在离工件不同距离的空间进行引弧和燃烧,两极性斑点分别在两焊芯上,主要利用熔滴携带热量和弧柱热量熔化母材.双电极焊条两芯间距是控制电弧电压的最重要因素,焊接时调节双电极焊条与工件间距离对电弧电压影响很小,随焊接电流增大,电弧电压略有升高.用药皮重量系数为45.6%的2×Ф4 mm钛钙型双电极焊条,在两芯间距为1.2～1.7 mm,焊接电流为180～220 A的条件下进行焊接可获得具有良好焊缝成形和力学性能的焊缝.     

Arc behaviour and weld formation in gas focusing plasma arc welding

ABSTRACT

Improving penetrability is a key issue in plasma arc welding (PAW). Increasing plasma energy is one way to improve arc penetrability. Gas focusing plasma arc welding (GF-PAW) platform is self-designed and developed. Role and action mechanism of focusing gas is initially studied. Focusing gas makes no obvious effects on arc pressure distribution and value. Focusing gas changes arc temperature distribution outer orifice, while focusing gas does not affect arc temperature distribution inner orifice. Focusing gas can constrict arc and arc energy increases 210?W with an increase in arc voltage of 1.4?V. GF-PAW can fully penetrate the whole work-piece while PAW can only partially penetrate the work-piece under welding current 150?A. GF-PAW can improve penetrability, and may increase welding speed, and has a potential application in manufacturing.     

双丝串列电弧焊焊缝成形的试验分析

将旋转电弧传感器和双丝串列电弧焊结合起来,开发了旋转电弧引导的、两个电弧在同一个熔池上燃烧的双丝串列电弧焊方法,对其焊缝成形工艺进行了研究.分析了焊接电流、焊接电压、双丝间距、电弧旋转等参数对焊缝成形的影响.结果表明,随着焊接电流的增大,熔敷速度增加,焊缝成形系数呈现先增大后减少的变化规律.而焊接电压的增大则会使焊缝成形系数略有减小.对双丝间距的研究发现,当间距为15 mm时,焊接质量较好.与普通双丝串列焊相比,前置电弧旋转时熔池底部变得平坦,最大熔深有所减小,平均熔深有所增加,这将有助于减少焊缝的应力集中.与单丝旋转电弧焊相比,焊接熔敷速度显著增大,有效避免了高速焊接时的咬边现象.     

等离子弧焊小孔行为的反翘电压检测

在穿孔等离子弧焊接过程中,小孔稳定性对焊接过程的稳定和优质的焊缝成形是非常关键的。文中采用无源探针对由等离子弧梯度电压和等离子鞘层电压构成的等离子反翘(等离子云)电压进行检测。根据等离子鞘层理论,随等离子反翘长度和角度变化的反翘电压可以反映小孔的状态信息及其形成、坍塌过程。文中讨论了检测信号的特征,以及材料、探针位置、焊接电流,等离子气流等因素对检测信号的影响。试验证明,该方法可以有效的预测小孔信息和焊缝熔透情况。     

6061铝合金激光深熔焊等离子体光谱特征与气孔的相关性

采用光纤激光器对6061铝合金进行焊接,获得了表面成形良好的焊缝. 利用光谱仪和高速摄像机获取等离子体的光谱和图像,分析了激光深熔焊时等离子体的光谱特征,讨论了光谱强度及其波动程度与焊缝气孔的位置及气孔率之间的相关性. 结果表明,6061铝合金激光深熔焊时等离子体的电离度低,光谱中只有金属原子谱线,AlI 396.152 nm谱线的强度能够反映焊接过程中等离子体的光谱特征;等离子体光谱强度及其波动程度与焊缝中氢气孔的形成位置和气孔率均不存在必然联系;等离子体光谱强度与小孔型气孔的位置不存在相关性,但其波动程度能够反映小孔型气孔的气孔率.     

Effects of welding velocity on the impact behavior of droplets in gas metal arc welding

The influence of welding velocity on the impact behavior of the globular metal transfer was studied by high speed video photography with a laser source during gas metal arc welding of E36 steel. The welding current and voltage were 180 A and 30 V during the welding process. The results indicated that the impact location of a droplet depended strongly on the welding velocity. There was a critical welding velocity (0.4 m/min) that when the welding velocity was lower than this value the droplet impacted inside the weld pool, while the welding velocity was higher than this value the droplet impacted outside the weld pool. The results showed that when a droplet impacted outside the weld pool it would rebound or adhere on the workpiece, which was depended on the kinetic energy of the droplet. The rebound percentage of droplets increased with increasing kinetic energy. With increasing welding velocity, the mass of droplets was not changed obviously, but the flight velocity of the droplet increased, i.e. the kinetic energy of droplets increased with increasing welding velocity. The results also showed that when a droplet impacted outside the weld pool, the droplet which rebounded away from the workpiece surface formed weld spatters, resulting in discontinuous weld appearance, while the droplet which adhered on the workpiece surface streamed to the weld pool and good weld joint would still be obtained. Molten metal decreases with increasing welding velocity. When the welding velocity increases from 0.4 m/min to 2.0 m/min, the weld width decreases from 12.9 mm to 6.3 mm and the weld penetration decreases from 5.4 mm to 2.1 mm.     

激光与电弧间距对激光复合焊熔滴过渡的影响

采用高速摄影设备研究了在两种焊接电流工艺参数下激光与电弧的间距变化对CO2激光-MIG电弧复合焊接熔滴过渡过程的影响.试验发现,在高速MIG焊接时熔滴过渡不稳定,在激光-MIG复合焊接时,由于激光光致等离子体对熔滴的热辐射作用和对电弧的吸引作用而改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态,使得熔滴的过渡过程发生了改变,对于不同的焊接电流工艺参数,存在不同的最佳激光与电弧间距.结果表明,在最佳间距下,即两个等离子体的耦合作用良好时,熔滴过渡形式为单一的稳定射流过渡,电流电压恒定,焊缝成形良好.     

纯钛TA2薄板双钨极氩弧焊焊接工艺

针对1.24 mm厚纯钛TA2薄板进行双钨极氩弧焊堆焊,研究焊枪倾斜角度和电极间距对电弧耦合、焊缝成形的影响,利用高速摄影和电信号采集系统分别对电弧形态、电流和电压波形进行分析,揭示纯钛TA2薄板高速焊焊接缺陷形成和抑制机理. 结果表明,电极间距在11 ~ 15 mm,电弧干扰小,焊缝成形良好;两个焊枪呈大致对称倾斜分布,液态金属后向流动被抑制,无明显咬边现象,焊缝成形良好. 采用合理的工艺参数进行TA2薄板双钨极氩弧对接焊,焊接速度可达3 m/min,接头抗拉强度为434 MPa,断后伸长率为31.4%,拉伸试样断裂于母材.     

旁路耦合微束等离子弧热特性及焊缝成形特点

针对传统微束等离子弧焊中焊丝熔敷率与焊接电流不能解耦的局限,提出旁路耦合微束等离子弧焊方法.通过给外填焊丝添加一电流,使焊丝与焊枪钨极间产生一个旁路电弧,实现熔化母材热量与熔化焊丝热量的解耦,确保熔化母材电流稳定的同时提高填充焊丝的熔化速度.对旁路耦合微束等离子弧焊的熔敷率、母材热输入及焊缝成形质量进行试验研究.结果表明,该方法既保持了传统微束等离子弧焊的优点,又在提高焊丝熔敷率的同时降低母材的热输入;并在其它焊接参数保持不变时,随旁路电流的增加,焊缝的熔宽、熔深和稀释率减小,余高和成形系数增大.