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.     

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.     

变极性等离子双弧及其控制

等离子电弧由于受机械压缩、热压缩和电磁压缩三种压缩效应,电位梯度高,当焊接参数不当时易出现双弧。在铝合金变极性等离子弧焊接反极性期间由于电弧相对正极性期间电弧发散,更易出现双弧。焊接电流与离子气流量的合理匹配、喷嘴孔径与电极内缩量的配合以及变极性等离子弧焊接电源结构等是影响变极性等离子弧双弧的主要因素。通过改进焊接电源的结构及控制方法,即在维弧电源主回路上串接MOSFET管,通过MOSFET管的开通与关断来实现对维弧电源主回路的通断控制,从而避免了铝合金变极性等离子弧焊接反极性期间维弧电源分流形成双弧。通过合理选择焊接参数有效解决了铝合金变极性等离子弧焊接时的双弧现象,在厚板铝合金变极性等离子弧焊接中获得了理想的焊接质量。     

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.     

铝合金变极性等离子弧平焊工艺

分析了薄板铝合金变极性等离子弧平焊工艺稳定性机理。试验采用自行研制的变极性等离子弧焊接电源,对1060铝合金薄板采用变极性等离子弧平焊工艺,分析了在变极性等离子弧焊接过程中,焊接电流、离子气流量、送丝速度等参数对焊缝成形的影响,获得了良好的焊缝质量。     

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复合焊应力场数值模拟

以7010铝合金为研究对象,根据LB-VPPA复合焊的焊缝截面形状及变极性等离子弧焊电流特性,通过对热源程序二次开发,建立了符合LB-VPPA复合焊的平面高斯+双椭球+高斯圆柱体组合热源模型。在此基础上,采用焊接模拟专用软件SYSWELD对LB-VPPA复合焊应力场进行数值模拟。结果表明,在保证焊透的前提下,与VPPA焊应力场相比,LB-VPPA复合焊的残余应力要比VPPA焊的残余应力小,且熔宽较小。分别对LB-VPPA复合焊和VPPA焊进行工艺试验,结果显示LB-VPPA复合焊焊缝熔宽比VPPA焊焊缝熔宽小,与模拟结果基本一致。     

钻孔法测量焊接残余应力误差因素分析

为提高焊接残余应力钻孔法测量结果的可靠性,需分析其测量过程中的误差因素,依据误差传递理论推导了由应变误差与释放系数误差传递给最终测量结果的误差公式,并由测量过程中的误差因素建立了一条影响最终测量结果的误差链. 以2A12高强铝合金VPPA-MIG复合焊接板材为试验对象,定量分析了误差链中的弹性模量误差、贴片误差和应变读数取值时间误差传递到最终结果中的相对误差. 结果表明,由弹性模量误差传递到残余应力σ₁,σ₂中的相对误差均很小;由贴片误差传递到残余应力σ₁,σ₂和?角中的相对误差在贴片24 h后均降为0%;由应变取值时间误差传递到残余应力σ₁,σ₂和?角中的相对误差在应变释放150 min后均降为0%.     

高频脉冲VPPA焊接电源系统建模与仿真

建立了IGBT式双逆变高频脉冲VPPA焊接电源系统模型,包括双逆变主电路及其PWM控制电路.计算并获得了在一次逆变频率固定的前提下可输出高频脉冲与滤波电感的对应关系.由仿真结果可知,降低输出滤波电感值,可在一定范围内提高输出脉冲频率,但滤波电感值过低会使输出电流不连续,因此,通过降低滤波电感值来提高可输出高频脉冲频率是有限的.由仿真结果还发现,在滤波电感一定时,提高一次逆变频率会提高可输出高频脉冲频率,但逆变频率过高对开关器件要求极高,增加设备保护系统的复杂程度.计算结果可以为研制高频脉冲VPPA焊接电源系统提供理论依据.     

基于LabVIEW的VPPA焊接信号采集分析系统

在实验室原有的变极性等离子焊接试验系统上,利用虚拟仪器软件LabVIEW设计了焊接电信号采集与分析系统,包括电流电压信号采集、滤波、概率统计以及频谱分析等焊接电特性参数采集与分析模块。通过焊接试验,对具有高低频调制脉冲功能的变极性等离子焊接系统进行信号检测与分析,比较分析了不同高低频时电弧电流波形以及频谱的不同。实验结果表明,该数据采集分析系统工作稳定,数据完整可靠,具有主要的信号分析功能。