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.     

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.     

复合脉冲方波电流频率对5A06铝合金焊缝组织和性能的影响

研究开发了一种适用于铝合金材料的新型超快速变换复合高频脉冲方波变极性电弧焊接技术,以5A06铝合金为试验对象,采用复合脉冲变极性TIG电弧焊接工艺,研究了复合脉冲方波电流频率对焊缝显微组织和力学性能的影响.结果表明,与未加入高频脉冲方波电流作用相比,当复合脉冲电流频率不超过20 kHz时,5A06铝合金焊接接头的显微组织和性能出现一定程度的降低,脉冲电流频率为40 kHz时,焊缝中心区组织细化,接头软化程度降低,接头力学性能明显改善,抗拉强度和断后伸长率分别达到母材金属的95.8%和84.8%.     

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.     

超高频脉冲方波电流对5A06铝合金HPVP-GTAW焊缝的影响

采用复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊接工艺(HPVP-GTAW)进行5A06铝合金平板的焊接加工,试验研究超高频脉冲方波电流对焊缝显微组织和接头力学性能的影响.结果表明,超高频脉冲方波电流频率对5A06铝合金焊缝组织性能会产生显著影响,脉冲电流频率在40～60 kHz范围内时,焊缝中心区域α(Al)固溶体内β(Mg2Al3)相弥散质点的析出数量增多,接头软化程度降低,拉伸性能明显提高,抗拉强度和断后伸长率分别达到母材金属的93%和80%以上;在脉冲电流频率20 kHz条件下,改变脉冲电流幅值和脉冲占空比的大小,所获焊缝的组织性能无明显变化.     

脉冲电流频率对2219铝合金焊缝组织性能的影响

采用超快速变换复合高频脉冲方波变极性TIG电弧焊接方法进行2219-T87高强铝合金焊接,研究脉冲方波电流频率对焊缝组织性能的影响.结果表明,加入脉冲方波电流后,焊缝组织明显细化,焊缝区由粗大柱状晶向细小等轴晶转变.当脉冲电流频率达超音频段时,在焊缝中部还存在一种呈带状分布的细小等轴非枝晶组织,并与等轴树枝晶组织交替分布.与未加入脉冲电流相比,当脉冲电流频率为60kHz时,接头抗拉强度和断后伸长率分别增加约17.6%和66%.在一定范围内提高脉冲电流频率,可显著减小焊缝熔合区宽度,改善接头硬度分布,明显提高接头塑性,但对接头强度的影响作用并不明显.     

2219-T87高强铝合金复合超高频脉冲方波VP-GTAW焊缝成形特征

采用平板堆焊工艺进行2219-T87高强铝合金焊接,研究了复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊接(HPVP-GTAW)过程中超高频脉冲方波电流特征参数对焊缝熔透成形的影响.结果表明,在正极性有效电流保持基本一致(变化范围±5 A)条件下,与常规VP-GTAW电弧焊接相比,超高频脉冲方波电流的加入可提高2219-T87铝合金焊缝的熔透率,焊缝熔透率增加20%以上;脉冲电流频率对焊缝熔透率有明显影响;在一定范围内增加脉冲电流幅值,减小占空比,可显著提高焊缝熔透率,脉冲电流幅值100 A和占空比20%时,焊缝熔透率增加75%以上.     

高频复合双钨极氩弧焊方法与数字电源研制

提出了一种优质高效低耗的新型非熔化极复合焊接工艺方法,并研制出新型高频复合双钨极TIG电源,可同时输出两路电流波形,一路为高频方波电流,其基值电流0~300 A,峰值电流0~100 A,频率0~80 kHz,占空比0~100%,脉冲电流变化率高达50 A/μs;另一路为变极性方波脉冲电流,其正负半波幅值为0~500 A,频率0~100 Hz,占空比0~100%,变极性电流变化率高达300 A/ms.测验结果表明,所设计的高频复合双钨TIG焊电源达到了预期设计目标,高频方波电流在80 kHz频率时仍然具有较快的上升和下降沿.最后采用铝合金板进行了堆焊试验,试验结果表明,焊接过程稳定,焊缝成形良好.     

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.     

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.     

Effects of pulse parameters on arc characteristics and weld penetration in hybrid pulse VP-GTAW of aluminum alloy

A novel ultrafast-convert hybrid pulse variable polarity gas tungsten arc welding process(HPVP-GTAW)is developed.High frequency pulse square-wave current which has a frequency of more than 20 kHz is exactly integrated in the positive polarity current duration.The effects of pulse current parameters on arc characteristics and weld penetration have been studied during the HPVP-GTAW process using Al-5.8 Mg alloy plates.The arc characteristics studied by arc voltage and its profile,weld penetration noted by the ratio of weld depth to width have been found to be influenced significantly by the pulse current.The experimental results show that the HPVP-GTAW process can improve the arc profile predominantly and obtain the higher weld penetration with lower heat input.The observation may help in understanding the weld characteristics with respect to variation in the pulse current parameters which may be beneficial in using the novel HPVP-GTAW process to produce the better weld quality of aluminum alloy plates.     

厚板铝合金变极性等离子弧焊工艺

分析铝镁合金的焊接特性和变极性等离子弧焊的焊接特点及氩-氦电弧的特性,依据8～12 mm板厚5083的焊接经验,选用变极性等离子弧焊,分别采用氩气、氩气+氦气作为保护气体,对16 mm厚的5083铝合金进行焊接试验,通过优化焊接工艺参数,获得良好的焊缝成形;按JB/T 4730《承压设备无损检测》的要求对获得的焊接接头进行射线检测和渗透检测,通过机械性能试验验证焊接接头的机械性能,各项检测及试验结果均符合NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》的要求,获得的焊接工艺规范参数在高压封闭电器外壳筒体的焊接中稳定应用。     

不同脉冲频率条件下2219-T87高强铝合金焊缝成形行为

采用复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧焊接技术完成了2219-T87高强铝合金平板堆焊试验,分析了脉冲电流频率对焊缝成形特征的影响及其规律.结果表明,脉冲电流频率对电弧特性及熔池流动行为有较大影响,造成焊缝熔宽、熔深及熔透率出现显著变化.脉冲频率f_H<60 kHz时,焊缝熔宽、熔深随脉冲频率的增加而增大,熔透率在f_H<35 kHz时基本保持不变,在f_H>35 kHz时出现显著提升,较常规变极性氩弧焊(VP-GTAW)至少提高了34%;当脉冲频率达到60 kHz时,焊缝熔透率达到最大,较VP-GTAW提高了约60%;脉冲频率f_H>65 kHz时,熔宽、熔深及熔透率呈现回落趋势.     

高强铝合金双脉冲VPPA焊缝成形机理

建立双脉冲VPPA(variable polarity plasma arc)焊接系统,进行7A52高强铝合金双脉冲VPPA焊接工艺试验,研究低频脉冲调制叠加高频脉冲对VPPA焊接过程中焊缝成形和焊缝力学性能的影响. 结果表明,低频脉冲周期性振荡液态熔池,可获得表面饱满的鱼鳞纹焊缝;高频脉冲使电弧更为集中,有效地提高了电弧能量密度,穿透力加强;双脉冲耦合振荡加强了对熔池的搅动作用细化了铝合金焊缝晶粒. 焊接接头抗拉强度达到384.13 MPa,相比VPPA焊接接头强度提高了10.21%左右;焊接接头断面收缩率和断后伸长率均有一定程度的提高. 铝合金双脉冲VPPA焊接工艺提高了焊接接头力学性能.     

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。     

A novel ultrafast-convert hybrid pulse square-wave VP-GTAW process for aluminum alloys

A novel ultrafast-convert hybrid pulse square-wave variable polarity arc welding power source was developed.The variable polarity current which crossed zero with no dead time possessed the ultrafast converting speed and the series of ultrasonic pulse current were superimposed in the positive polarity current duration.A high-efficiency hybrid pulse variable polarity gas tungsten arc welding (HPVP-GTAW) process for aluminum alloys was achieved.With X-ray inspeetion,microstructure analysis,tensile tests and scanning electron microscopy (SEM) for fracture surface,the square butt welding characteristics of 5A06,2AI4 and 2219 aluminum alloys were tested,respectively.Experimental results show that microstructure and mechanical properties of these aluminum alloy welded joints are influenced significantly by the introduction of ultrasonic pulse current.The weld quality is improved predominantly by the novel HPVP-GTA W process.