铝合金变极性等离子弧焊接头力学性能研究

采用变极性等离子弧焊技术,选择ER5356焊丝对10 mm厚的5083和6061铝合金板进行焊接试验,对焊接接头的力学性能进行了测试分析。结果表明,焊接接头成型良好,没有裂纹、气孔等缺陷,抗拉强度可达母材的60%左右。拉伸试验和断口扫描观察表明,5083比6061的焊接接头有更好的塑韧性。两者的断口形貌都以韧窝为主,而且韧窝底部可发现析出相的存在。     

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.     

2219铝合金变极性等离子弧焊接接头

采用变极性等离子弧焊接技术对2219铝合金进行焊接,并通过光学显微镜、硬度计等分析和测试其焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明,2219铝合金采用变极性等离子弧焊接能得到良好的焊缝,焊缝组织晶粒比母材细小,焊缝区域硬度小于母材硬度。     

特高压开关铝罐体的变极性等离子弧焊接工艺方法

通过对16 mm厚5083铝合金罐体进行变极性等离子弧焊接工艺试验,分析了工艺参数变化对焊缝成形的影响,研究该铝合金罐体在不开坡口情况下分别采用氩气(需要焊前预热)和氦氩混合气作为保护气的变极性等离子弧焊接工艺,并制定出具体焊接工艺规范参数。试验结果表明,采用氦氩混合气作为保护气条件下焊接的工件,可以有效避免长焊缝预热不均、焊缝背面局部咬边等问题,同时可以降低热输入、提高焊接效率,焊缝质量达到正背面外观无缺陷、射线探伤Ⅰ级,能够满足高压开关罐体的设计要求。     

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。     

基于小孔特征图像处理的变极性等离子弧焊接工艺研究

铝合金变极性等离子弧焊是一种新型高效的焊接方法。针对等离子弧对焊接工艺参数的变化比较敏感的问题,建立了视觉传感系统用于实时采集和处理小孔图像,通过大量的焊接工艺试验探讨了等离子弧焊工艺参数对小孔特征及焊缝成型的影响。结果表明,采用合理的焊接参数并结合背面小孔视觉特征,可以实现铝合金的穿孔型变极性等离子焊接,并能够稳定地控制焊接过程。     

铝合金变极性等离子焊接电源的模块化设计

变极性等离子弧穿孔焊技术广泛应用于厚板铝合金构件的焊接。介绍了模块式铝合金变极性等离子焊接电源的构成、功能及特点。采用该电源对6～8mm厚铝合金试件进行了穿孔立焊工艺实验，结果表明：所设计的电源可靠性好、稳定性高，试件焊缝成形良好。     

穿孔法变极性等离子立焊的收弧过程

研究了穿孔法等离子弧焊的收弧规律。发现焊接电流、离子气流量和焊接速度对收弧过程影响较大。在收弧阶段采用适当焊接电流，增大送丝速度，减小离子气流量和焊接速度，以增加焊接热输入，可以实现收弧弧坑的填充。对于不同厚度的铝合金，收弧阶段的规范参数有一最佳区间。研究了收弧坑的接头性能，其抗拉强度和伸长率均不低于中间焊缝。     

铝合金变极性等离子弧穿孔焊过程控制

分析了铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺特点,提出了通过对焊接参数的精确控制,实现变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺的方法,并将焊接电流、离子气流量和焊接速度确定为变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊过程的被调节参数.保持穿孔熔池上"热"和"力"的动态平衡是调节焊接参数的根本依据,是实现变断面试件自动焊接的关键所在.采用单片机为核心的控制器对焊接参数进行实时调节,动态保持穿孔熔池上热和力平衡,实现了变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺.     

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。     

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.     

Cathodic cleaning in variable polarity plasma arc welding of aluminum alloys

Variable polarity plasma arc welding (VPPAW) is one of the most excellent processes used for welding aluminum alloys recently. It combines the advantages of variable polarity welding and plasma are welding, and can achieve the most rational heat distribution and cathodic cleaning. With the VPPAW equipment developed by authors, the cathodic cleaning regularity that is one of the most important problems in VPPAW is investigated in this paper. The results will be helpful in realizing the real cleaning mechanism.     

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。     

铝合金变极性等离子弧焊应力场数值分析

以传热学及热弹塑性有限元分析法为理论基础,利用ANSYS有限元分析软件,对铝合金变极性等离子弧焊接温度场、应力场进行数值模拟. 建立 "高斯+双椭球"热源模型,通过正反极性不同尺度热源模型的循环加载,实现对焊接温度场及其应力场较准确的计算;焊后在焊缝的纵、横方向选取不同的点进行残余应力实际测量. 结果表明,不同路径上焊接残余应力值其分布规律与理论基本相同;实际测量结果同计算结果进行比较,二者数值相差较小,说明数值分析的计算结果具有一定的理论指导意义.     

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。     

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.     

基于计算机仿真的铝合金变极性等离子弧焊温度场分析

采用"高斯+双椭球"热源模型,建立正、反极性等离子电弧热源模型。采用APDL(ANSYS parametric design language)编程语言,对变极性等离子弧焊(VPPA)温度场进行模拟。通过分析其温度场,计算出正、反极性等离子弧焊高温区面积和熔池形状,并通过实际焊接试验验证了该模型的合理性,这为焊接工艺参数的合理选择提供了理论依据。