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.     

变极性TIG焊接电弧稳定性分析

通过对变极性TIG焊接电弧稳定性试验研究,发现小电流电弧极性切换时容易引起熄弧.同时,电弧等效电阻的变化导致严重的换向冲击.原因是:电路的等效电容、电感引起小电流换向速度慢,电弧等效电阻变小引起换向冲击.通过二次主电路加耦合电感,以及在电弧极性切换时,采用变参数PI控制与超前控制的软件控制策略,有效解决了变极性TIG焊...     

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。     

变极性焊接电源二次逆变电路拓扑及其控制策略

维持和提高焊接电弧的稳定性是变极性GTAW焊接的关键.对于采用两级逆变的变极性焊接电源,二次逆变电路拓扑及其控制策略对输出电流极性切换过程和焊接电弧的稳定性具有显著影响.在分析变极性GTAW焊接电弧稳定问题的基础上,提出了维持和提高焊接电孤稳定性的措施.通过增加电流极性切换速度,在电流过零瞬间维持电弧空间的温度和残余电离度;小电流焊接时,在电流极性切换之前叠加电流脉冲,以提高电弧空间的温度和电离度;在电流过零熄灭瞬间,叠加足够高的电压脉冲,使电弧能够立即再引燃.进而,通过对全桥式二次逆变电路拓扑、半桥式二次逆变电路拓扑及其控制策略的分析,指出了它们的适用范围、存在的不足以及改进的途径.     

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.     

超快变换高频变极性方波TIG电弧行为

基于一种新型电路变换拓扑实现频率达超音频段且具有超快速电流上升沿和下降沿变化速率的高频变极性方波电流输出,将其用于铝合金TIG焊接过程,研究分析高频变极性TIG电弧行为.结果表明,变极性电流频率和变化速率具有对电弧形态、稳定性及电弧力的控制能力,提高电流极性变换频率,电弧清除氧化膜的能力增强,电弧表现出明显的收缩效应,电弧电压和电弧等效电阻增大,但电弧偏吹作用加剧.在一定频率范围内,增加变极性电流频率,减小负极性电流幅值及其持续时间,可增大焊缝熔透率,有利于提高焊接效率和质量.     

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.     

变极性等离子电弧形态对电弧力的影响

研究了变极性等离子弧焊接工艺中,电弧形态及力学行为随焊接过程变化的现象,提出了变极性等离子电弧力学行为随电弧形态的改变而变化的规律。通过高速摄像以及对电弧力和电流的同步检测,证实了联合型等离子弧在反极性时间内易形成双弧的事实。     

变极性熔化极气体保护焊的研究与发展

变极性熔化极气体保护焊是一种新型的焊接方法,在焊丝接正半波内以脉冲电流或者精细波形控制的方法实现熔滴的过渡,在焊丝接负时降低电弧输入熔池的热量,并提高焊丝的熔化速度,提高熔敷速度,非常适合于薄板焊接。介绍了变极性技术在熔化极气体保护焊中的应用,分析不同保护气体所对应的变极性电流控制波形,以及电流过零时电弧稳定性的控制方法,指出变极性熔化极气体保护焊的发展方向。     

高频脉冲变极性焊接电源及电弧压力分析

采用变极性和高频脉冲电路叠加,设计了一套变极性和高频脉冲复合电流输出特性的焊接电源,将高频脉冲电弧特性引入变极性焊接过程.建立电弧压力数学模型,结合具体工艺试验,分析了高频脉冲电流对于变极性焊接电弧特性的改善.结果表明,在相等电流有效值的情况下,电弧压力随脉冲频率的提高而增加,高频脉冲电流频率达到5kHz附近时,弧柱区电弧压力较常规直流电弧提高2倍左右,电弧的挺度和能量密度都有所增加,为进一步研究高频脉冲变极性焊接方法在铝合金焊接中的应用提供了理论依据.     

铝合金VPPA-MIG复合焊接电弧形态及伏安特性

试验使用VPPA-MIG复合焊方法对铝合金进行对接试验. 通过高速摄像和数据采集系统获取复合电弧形态和伏安特性. 结果表明,由于磁场间的耦合作用,在VPPA正极性阶段电弧相互排斥,反极性阶段相互吸引,采取外加横向交变磁场,电弧摆动幅度明显减小. 由于MIG焊电弧的存在,等离子电弧伏安特性发生了改变. 弧柱气氛更容易电离,使得等离子电弧电压下降. 等离子电流较小时,电弧电压随MIG焊电流的增加而降低;等离子电流较大时,随着MIG焊电流进一步增加,电弧电压降低程度有所减少. 试验结果为实现厚板铝合金高效焊接及其电弧耦合机理研究提供理论依据.     

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.     

高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理

VPPA-MIG复合焊集VPPA穿透力强和MIG焊熔敷效率高的优点,弥补了单VPPA焊工艺区间窄且需立焊和MIG焊熔深浅的不足. 使用Red Lake Y4高速摄像获取6 mm厚2A12铝合金VPPA-MIG复合焊接熔池图像,建立了熔池受力模型. 对比分析了复合热源不同能量配比对焊缝成形和熔池形貌的影响及VPPA-MIG与单MIG焊缝成形特点. 结果表明,VPPA-MIG复合热源相比单VPPA热源易保持焊缝成形稳定性. VPPA电流接近穿孔阈值时,配合较低功率MIG热源可以获得6 mm厚2A12铝合金良好焊缝成形;VPPA能量比例过低时,小孔较浅,熔化效率较低,不能起到增加熔深的作用;VPPA能量比例过大,易使熔池失稳,焊缝成形不良. 热源输入功率相同时,VPPA-MIG复合焊比MIG焊显著增加焊缝熔深和深宽比,提高生产效率.     

铝合金LB-VPPA复合热源焊焊缝成形机理

以Al-Zn系铝合金LB-VPPA（激光-变极性等离子弧）复合焊接焊缝成形机理为研究对象,分析了LB与VPPA耦合效应对复合热源特性及其焊缝成形的影响规律.结果表明,LB与VPPA相互耦合不仅提高了激光吸收率,在变极性等离子弧根部形成一烁亮区,并且在VPPA反极性期间此效应更为显著.适当减小VPPA电流幅值,增加离子气流量,匹配合适的激光功率,可获得总热输入小,穿透力更强的热源,从而能够克服单VPPA平焊位置不易形成穿孔熔池的难点.8 mm厚Al-Zn系铝合金LB-VPPA复合热源焊在I_z=115 A、I_f=155 A、离子气流量q=3.0 L/min、激光功率P=1 000 W时可获得良好的焊缝成形.     

Arc behavior in two wire tandem submerged arc welding

The behavior of leading and trailing arc root dimensions and arc interaction in the two-wire tandem submerged arc welding process was studied using real-time recorded current and voltage waveforms, and CCD arc images for a wide range of experimental conditions. Physical and regression equations were developed to predict the arc interaction and dimensions as a function of the welding condition. The influence of the arc interaction on the molten droplet transfer direction was studied. The arc center displacements (arc interaction) under different welding conditions were fairly well predicted by the corresponding physical models. The arc root dimensions were unsymmetrical and increased with an increase in the welding current and voltage while the same decreased with the increase in the arc center displacements. This variation was reasonably envisaged by the developed regression models. The detached molten electrode droplet followed the arc axis at the time of detachment and deposited into the weld pool.     

铝合金LB-VPPA复合焊接热源特性

以Al-Mn系铝合金LB-VPPA(laser beam-variable polarity plasma arc)复合焊接热源特性为研究对象,采用Y4-S2型高速摄像仪和汉诺威焊接质量分析仪分别研究了LB-VPPA复合热源焊接过程中的电弧形态的变化、焊接电流、电压的特征信息. 结果表明,激光对VPPA焊接电弧有吸引作用,并且与VPPA正、反极性作用机理不同. 正极性阶段发现激光被压缩于VPPA电弧内部且作用于电弧根部,而反极性阶段在VPPA电弧上方会出现一个等离子体柱. VPPA焊电弧根部等离子体对激光的逆轫致辐射吸收,电弧因温度升高而膨胀导致其横截面积变大;同时引入激光为VPPA焊接电弧提供了大量自由电子,电流密度增加、导电性增强、电导率提高、电阻减小,导致电弧电压下降了约3~4 V. 随着激光功率的增加,激光对VPPA电弧作用效果明显增强.     

基于小波频带能的脉冲VPPA焊接熔透特征信息提取

焊缝熔透状态的监控对焊接过程质量控制和自动化生产的实现具有重要的意义。建立脉冲VPPA焊接系统,对脉冲VPPA焊接不同熔透状态的电弧电压进行小波分解,将其分解到不同频带,进行频带能量的计算,提取了与频带能量对应的熔透状态特征信息。研究结果表明：脉冲VPPA焊接电弧电压高频频带能量能够很好地反映焊缝熔透状态,当焊缝熔透状态发生变化时频带能量值产生突变,可作为脉冲VPPA焊接过程在线检测量,为脉冲VPPA焊接熔透实时控制提供一种新方法。     

Metal transfer and arc behaviour of novel consumable and non-consumable electrode indirect arc droplet welding

Abstract

The consumable and non-consumable electrode indirect arc droplet welding is a novel method that applies an indirect arc generated between a consumable electrode and a non-consumable electrode to welding. It was successfully used to overlap join the thin zinc coated steel plate. In the point to point (consumable electrode and non-consumable electrode) configuration, the stable metal transfer was obtained. The globular, projected spray and streaming spray transfer modes were promoted. With the increase in welding power, the metal transfer became faster and more stable. At the same time, the indirect arc became brighter, smaller and more stable. The arc self-regulation guaranteed the stable burning of the indirect arc. The desire stability was observed from the fluctuation of the welding current and the arc voltage waveforms. The side concentrated melting on the root of the droplet produced high pinch effect, which facilitated the detachment of the droplet.