小孔等离子弧焊接中小孔状态的传感技术研究

小孔等离子弧焊接是一种高能量密度的高效焊接方法。小孔的稳定性是影响小孔型等离子弧焊接过程稳定性和接头质量的重要因素。在焊接过程中及时获取表征熔池小孔特征行为的信息．就成为等离子弧焊接研究的前沿课题。介绍了小孔等离子弧焊接中小孔状态的传感检测原理，指出利用声音信号、电弧孤光强度、尾焰电压、熔池图像信号、多传感信息融合和等离子云导电性都能在一定条件下实现小孔状态的检测．并分析了这些传感方法的特点。     

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.     

脉冲等离子弧焊穿孔熔池的等离子云传感

在探针法检测等离子云理论基础上,研制了实用化的多探针等离子云传感器,并利用尾焰传感器对比检验了所设计传感器的可靠性和检测精度.将等离子云传感器应用于脉冲等离子弧焊穿孔熔池小孔状态检测,并对检测信号的波形特征做了深入研究.分析表明,等离子云检测信号中负脉冲信号可以作为脉冲等离子弧焊穿孔熔池的状态变化的特征判据,负脉冲信号的频率则可以作为脉冲焊接是否保持"一脉一孔"焊接的特征判据.等离子云电压信号可以很好的反映穿孔熔池的状态.     

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。     

穿孔等离子弧焊接中等离子云的检测

应用天体物理等离子鞘层理论的知识，分析金属板测量尾馅时产生电压和探针测量等离子云时产生电压的原因。当把探针放置在等离子云中，由于等离子体的特殊性，将在探针上产生了负电位，与工件电位差就是鞘层电压，并给出鞘层电压的计算公式，通过分析发现，鞘层电压大小仅仅与检测处等离子体温度和成分有关。提出了一种用无电源探针检测等离子云的新方法，通过检测等离子云中探针上产生的鞘层电压是否为零来判断小孔是否形成。试验验证了鞘层理论在等离子弧焊接中应用的正确性，同时给出了探针放置的最佳位置。     

穿孔等离子弧焊的熔深检测

在小孔等离子弧焊接过程中，首次利用鞘层电压获知等离子云喷封角，从而获知熔深情况。从以往研究只停留在实时检测小孔是否穿透的状态信息，前进到通过等离子云喷射角来检测熔池熔深的状态。设计了无源探针检测等离子云装置，该装置简单、可靠，具有较好的工业应用前景。     

等离子云信号检测与影响因素分析

在等离子弧焊接中采用无电源探针法可以检测等离子云，判断焊接小孔是否形成。根据等离子体鞘层理论，伸入等离子云中的探针表面将产生一负电位，称其为鞘层电压。采用探针检测等离子弧焊接中的等离子云，其检测信号与鞘层电压密切相关。由于鞘层电压大小与探针检测处等离子体温度和成分有关，因此，在检测过程中，探针位置、焊接速度和焊接电流等影响等离子云温度的因素是影响检测电压大小的主要原因。试验证明，同样的焊接条件，探针位置不同，检测信号差别很大，甚至可能检测不到等离子云的信号。不同的焊接工艺参数，对应有不同的最佳探针位置，在最佳探针检测位置可以获得最大的检测电压值。     

等离子弧焊中电弧反翘现象的数值模拟

根据流体的质量、动量、能量守恒方程,建立了穿孔等离子弧焊接过程中的等离子电弧三维数学模型,用磁矢量法求解磁场问题.模型包括了一部分喷嘴和钨阴极,小孔也被包含进模型中.利用ANSYS有限元分析软件求解模型,得到等离子电弧的温度分布,以研究等离子弧焊中电弧反翘现象.结果表明,等离子电弧反翘随小孔尺寸的增大而减弱,电弧尾焰随小孔尺寸的增大而增强;而适当的增加焊接速度以使小孔轴线与电弧轴线之间形成一定的偏差是形成等离子电弧反翘现象的必要条件;焊接电流主要是通过改变小孔尺寸而对电弧反翘产生影响.     

脉冲等离子弧焊接焊透质量的闭环控制

本文根据脉冲等离子弧焊接的特点,研制了一种反馈控制系统,用以控制焊缝的焊透质量。放置在焊缝背面的光电管接收并监控来自等离子弧尾焰的光线。接收到的光信号被光电管转换成光—电脉冲信号。在把光—电脉冲信号放大、积分并把它与给定电压比较后,反馈系统可输出电信号对焊接电流的脉冲宽度进行自动调整,使小孔存在时间增加或减小,实现了对焊缝焊透质量的闭环控制。     

中国机械工程学会焊接学会第四届学术会议论文文摘选登(五)

铝合金等离子弧焊接的研究——反极性等离子弧小孔焊本文用反极性等离子弧对中厚度铝合金板单面焊反面自由成形进行了研究。设计了水冷铜电极等离子弧焊枪,研究了中等厚度铝合金板反极性(电极为正极)等离子弧小孔焊的特点、成形规范和各种工艺因素的影响。采用水冷铜电极的反接等离子弧小孔焊电弧稳定,能有效破除铝氧化膜,在焊缝边缘有很宽的阴极清理区,背面焊道也能良好成形。但为了得到不起皱的光滑背面焊道和防止气孔,需加背面保护。焊缝横断面形状与正极性等离子弧焊接不同,不是指状(或酒杯状),而是上下宽度较接近的腰鼓形。研究了铝合金反极性等离子弧小孔焊的主要焊接参数:电流、离子气流量、焊接速度间的相互关系,找出了小孔焊     

A computer-based control system for keyhole plasma arc welding

A new kind of control system for keyhole plasma arc welding （K-PAW） was developed based on the computer and the Graphics Language--LabVIEW. It can set and output the required current waveforms with desired decreasing slopes so that the corresponding ＂opening and closing＂ of keyhole can occur periodically. With this control strategy of welding current waveforms, the workpiece is fully penetrated while no burn-through Occurs. Keyhole plasma arc welding experiments were conducted to verify the stability and reliability of the developed system.     

Sensing controlled pulse key-holing condition in plasma arc welding

According to the strategy of controlled pulse key-holing, a new sensing and control system was developed for monitoring and controlling the keyhole condition during plasma arc welding (PAW). Through sensing and processing the efflux plasma voltage signals, the quantitative relationship among the welding current, efflux plasma voltage and backside weld width of the weld was established. PAW experiments show that the efflux plasma voltage can reflect the state of keyhole and backside weld width accurately. The closed-loop control tests validate the stability and reliability of the developed keyhole PAW system.     

Closed-loop control of weld penetration in keyhole plasma arc welding

To improve the penetrating ability and the welding quality of keyhole plasma arc welding, a novel penetration closed-loop control system was established. In the system, welding current and plasma gas flow rate were selected as adjusting variables. The wavelet method was used to detect penetration status from welding arc voltage in real-time. The control strategy of one-keyhole-per-pulse was adapted to fulfill stable and high quality welding process. Experimental results show that the developed system can apparently increase the penetrating force of plasma arc and keyhole plasma arc welding is realized successfully in stainless steel with 10 mm in thickness. Moreover,the disturbances of gradual change and break change from 3mm to 6mm in thickness are come over due to the good response property of the developed system.     

Effects of controlled pulse current waveform on key-holing condition in plasma arc welding

To overcome the shortcomings of conventional plasma arc welding (PAW), the' controlled pulse key-holing' strategy is proposed and the keyhole PAW experiment system is developed. The efflux plasma voltage signal is detected in real-time to characterize the keyhole size and dimension. The welding current waveform for controlled pulse key-holing strategy is implemented, and two slow-decreasing slopes are added at the dropping point from peak current to base current to further reduce both heat input and arc force so that the controllability of keyhole dynamics is improved. Two kinds of PAW tests are conducted, and the different parameters of the controlled pulse current and the relevant efflux plasma voltage are measured in real-time to investigate the effects of welding current waveform parameters on the key-holing condition.     

一种新型等离子小孔焊接熔透闭环控制系统

建立了以电流和等离子体气流为控制变量的等子体小孔焊接熔透闭环控制系统，采用小波方法从焊接电弧电压信号中实时、准确地提取熔池穿孔信息，通过对2个参量的协调控制，成功地实现了“一脉一孔”的焊接工艺。实验表明，该系统不仅显著地提高了电弧穿透力，．能够有效地对10mm厚不锈钢进行小孔型焊接，而且具有良好的快速响应性能，成功克服了3－6mm厚度渐变及附跃变化带来的扰动，实现连续、稳定、可靠的较厚板穿孔焊接。