变极性等离子弧焊技术发展及其在航天制造领域应用现状

变极性等离子弧(VariablePolarityPlasmaArc,VPPA)焊是一种高效的铝合金和镁合金焊接方法,其主要优势在于等离子电弧具有高能量密度,可以在焊接时穿透熔池形成小孔,大幅度降低焊接变形和残余应力,提高焊接质量。了解熔池小孔行为、电弧物理特性和控制方法对于优化和提高焊接过程的稳定性至关重要。本文综述了VPPA焊接技术发展的最新情况,对VPPA焊接过程信息的检测研究为深刻认识焊接稳定性机理提供了有力保障,尤其是利用X射线成像系统观测熔融金属流动的研究,对提升VPPA穿孔熔池物理本质的认识做出了重要贡献。此外,针对不同位置VPPA焊接的研究增加了这一焊接工艺的灵活性,由VPPA焊接衍生的多种拓展工艺拓宽了该焊接方法的适用范围。VPPA穿孔焊接技术以其焊接变形小、焊后无缺陷、单面焊接双面一次成形等优势,成为航空航天领域铝合金中厚板材焊接制造的优选工艺。

航天铝合金变极性等离子弧焊焊接接头的腐蚀与疲劳交替研究

随着可重复使用航天器理念的提出,可重用航天器多次空天往返和地面修复过程的腐蚀与疲劳交替问题不可忽视。本工作以5A06铝合金变极性等离子弧焊焊接接头为研究对象,对焊接接头进行腐蚀与疲劳交替试验,研究不同单位腐蚀时间对腐蚀与疲劳交替工况下疲劳寿命的影响。通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对其断口进行表征,分析了腐蚀与疲劳交替后焊接接头的损伤特性。结果表明,随着单位腐蚀时间的延长,腐蚀与疲劳交替寿命呈现先下降后平稳的趋势。这主要归因于腐蚀会钝化疲劳裂纹尖端,形成新的点蚀坑,同时钝化疲劳过程中的侵入/挤出和微裂纹降低了表面应力的集中程度,使疲劳寿命相对延长,从而反映出寿命保持稳定的状态。其中,断裂位置均处于热影响区,这主要因为焊接热影响区耐腐蚀性差,易造成严重腐蚀损伤,较大的腐蚀坑引起严重的应力集中,从而加速裂纹萌生。

厚板铝合金变极性等离子弧焊电弧物理特性

为克服厚板铝合金穿孔焊接熔池极易失稳的难题,该研究从厚板焊接时电弧温度场出发,旨在探究厚板穿孔焊接熔池稳定性的机理。通过建立三维数值模型,研究了焊接母材厚度分别为5 mm和16 mm下变极性等离子电弧的温度场、流场和电流密度分布。结果表明,随着板厚的增加,变极性等离子电弧温度场分布发生改变,5 mm板厚电弧温度的衰减情况为线性,而16 mm厚板焊接的电弧温度衰减情况为二次型,使得温度变化更加复杂。变极性等离子弧焊接5 mm厚度铝合金时,整个小孔熔池的电流密度呈1.0×10^(6) A/m^(2)以上,但是在焊接16 mm厚板铝合金时,相同电流密度仅达到小孔深度的12 mm处。该研究有望对实现大厚度铝合金稳定焊接,拓宽变极性等离子弧焊接应用范围提供理论指导。

LD10铝合金变极性TIG焊试验

对变极性电源在LD10铝合金TIG焊中工艺特点进行了研究,探讨了影响气孔、阴极清理作用、钨极端 头烧损的各种因素及其作用规律。研究表明变极性电源由于可调规范参数多、变化范围大、通过控制电源的输出 电流波形,增大钨极为正半波的电流幅值,减少其时间,可满足阴极清理的基本要求,减少钨极烧损和气孔,灵活地 控制焊缝成形,从而获得良好的焊接结果。

基于电容快速充放电控制的变极性微电阻点焊电源的设计

针对传统晶体管式电阻点焊电源负载持续率低,电源输出模式单一和焊接接头一致性差等问题,设计了一种可实现电容快速充放电的变极性晶体管式微电阻点焊电源.分析了电源负载特性,设计了基于全桥逆变+H桥双相斩波电路的电源主电路拓扑,设计了基于高性能STM32双核控制器的数字化电源控制系统,提出了多阶段变脉宽式电容组快速充电方法,开展了电源输出特性测试和铜-镍薄片单面双点工艺试验.试验结果表明,设计的电源输出负载持续率可达5%以上,极性切换时间可低至0.1 ms以下,变极性输出模式可有效解决单极性模式下因极性效应现象造成的焊点尺寸不一的问题,电压控制模式焊接过程焊接接头性能优于电流控制模式和功率控制模式.

铝合金变极性等离子弧焊接电源的研制

介绍了铝合金穿孔等离子弧焊接专用的变极性电源的工作原理,利用80c196单片机为控制核心,研制了400A的变极性电源。该电源的正、负半波的比例和幅值分别可调。主要应用于铝合金变极性穿孔等离子弧焊接工艺。

变极性方波电源的换向与控制

首先分析了变极性方波电源二次逆变换向过程的特点 ,即开关器件切换的电压低 ,电流大 ,回路电感引起的续流过程在换向中起着重要的作用 ,它能提供适宜的反向驱动时间 ,或者促进再引弧电压形成。指出了反向驱动延迟时间td 并不等于电弧电流间断时间tD(即熄弧时间 )的实际情况。归纳出td>0、td<0两种换向控制方法 ,深入分析了两种控制方式下的换向过程机理 ,得出了相应的换向控制策略 ,并给出了实现方法及试验结果。最后指出了两种控制方法的不同特点及适用范围。从而深化了方波电源的换向理论 ,为改善这种电源的工作性能和可靠性 ,为其合理的设计 ,提供了进一步的依据。

铝合金变极性TIG焊工艺特点

对变极性电源在铝合金ＴＩＧ焊中工艺特点进行了研究，探讨了影响阴极清理作用、钨极端头烧损的各种因素及其作用规律。研究表明变极性电源由于可调规范参数多、变化范围大、通过控制电源的输出电流波形，可以有效地控制电弧的形态，增大钨极为正半波的电流幅值，减少其时间，使电弧由扩散形变为收缩形，焊接过程向直流正极性靠近，满足阴极清理的基本要求，减少钨极烧损，灵活地控制焊缝成形，从而获得良好的焊接结果。

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。

铝合金变极性等离子弧穿孔横焊焊缝成形规律分析

以穿孔等离子弧焊接过程中形成的穿孔熔池为研究对象,根据熔池热源形态的特点,采用数值模拟与试验相结合的手段研究横焊位置下的铝合金变极性等离子弧焊缝成形.由于焊接速度波动和工件厚度的影响,体热源作用下的穿孔熔池背面存在最高温度点和最大熔宽截面相背离的现象;因此通过对穿孔熔池背面进行分区和定义,提出温宽偏离度概念,即熔池背面最高温度点和最大熔宽截面的偏离程度,用以描述穿孔熔池状态及焊缝成形;通过调节焊枪角度来改变焊接过程中的温宽偏离度,在其它参数不变的情况下减轻重力在焊接过程中对焊缝成形的影响,实现变极性等离子弧穿孔焊接在横焊位置上的良好成形.

大厚度铝合金变极性等离子弧穿孔立焊技术

研制以16位单片机为控制核心的双逆变型铝合金变极性等离子弧穿孔立焊专用设备,测试并分析变极性等离子电弧力学特性,对变极性等离子弧稳定性、电弧力和电弧能量的传递特征进行了深入的探讨。研究发现铝合金变极性等离子穿孔焊接中正极性电弧对力更具影响,而反极性电弧对热更具影响,实时保持穿孔熔池上热和力的平衡是厚板变极性等离子弧稳定穿孔焊接关键所在。用自行研制的设备成功实现了15 mm LD10铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺,研究结果对于将变极性等离子弧焊接工艺应用到我国航空航天等领域具有重要的现实意义。

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.

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。

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.

2A14铝合金变极性等离子横向焊缝成形特点

对6 mm厚2A14铝合金变极性等离子弧横向焊接的难点及焊接工艺参数的特点进行了研究,通过横向焊穿孔熔池受力分析,阐释了变极性等离子横向焊缝成形缺陷产生的原因.变极性等离子弧横向焊接的难点是焊缝正面和背面的咬边缺陷及焊缝上部(靠近熔合线)宏观气孔的聚集.稍小的焊接线能量有利于消除横向焊缝正面咬边缺陷,稍大的焊接线能量有利于消除焊缝背面咬边缺陷.分析认为变极性等离子横向焊缺陷的产生与穿孔熔池受力平衡及重力方向改变导致的流动密切相关.

变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性

通过YB005-01型压力变送器测定相同参数条件下正极性等离子电弧力大于反极性等离子电弧力,并建立了铝合金VPPA焊接穿孔熔池受力模型,分析了在不对称正、反极性等离子电弧力的作用下,穿孔溶池稳定性及其焊缝成形机理。同时进一步分析铝合金VPPA力学特性,掌握了焊接电流和离子气流量等重要焊接参数对其影响。经穿孔焊工艺实验,合理选择正、反极性电流幅值和离子气流量等参数,保持穿孔熔池热和力的平衡,为获取铝合金VPPA焊接稳定的工艺规范提供了理论支持。

基于最小位移的磁悬浮转子变极性LMS反馈不平衡补偿

针对高速电机磁悬浮转子受不平衡扰动时位移精度下降的问题,提出一种基于最小位移原则的变极性最小均方误差(least mean square,LMS)反馈不平衡补偿策略,通过在线辨识位移信号中的转速同频分量,引入反馈补偿来增加系统对同频分量的广义动刚度,实现不平衡补偿。利用广义根轨迹分析了引入补偿后系统的闭环稳定性,同时针对仅以负极性或正极性引入补偿后,闭环系统均存在临界转频以上或以下发散的问题,设计了通过切换引入补偿的极性来穿越临界转频,从而实现引入LMS反馈补偿后全转速范围闭环稳定。实验结果表明,该方法在全转速范围内均能大幅减小位移信号中的转速同频分量。

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。

变极性等离子电弧稳定性及其控制

以变极性等离子电弧稳定性机理及其控制方法为研究对象,自行研制了80C196KC单片机为控制核心,主电路为双逆变型电路拓扑结构的VPPA—1型变极性等离子焊接电源。重点分析小电流过零再引燃机理及其在大规范焊接条件下变极性等离子弧焊接系统及其电弧的稳定性。分别提出了在小电流焊接时通过程序设定方法将变极性等离子电弧由正极性变反极性之前提高过零电流,而大规范焊接条件下则控制过零电流的新观点,对科学认识变极性等离子电弧特性及其焊接过程控制有重要的指导意义。

变极性TIG焊电弧负载特性及换向控制策略

通过对变极性TIG焊电弧负载特性试验研究,发现EN(钨极接负)时电弧的等效电阻小于EP(钨极接正)时电弧的等效电阻,而且随着电流的增大电弧等效电阻都减小,当从EP切换到EN时刻电弧等效电阻急剧减小。对电弧等效电阻的形成机理进行了分析,指出电弧等效电阻与阴极区、弧柱区、阳极区在不同电流条件下的工作机理有关,着重分析了阴极区电子发射和阳离子发射的机理。针对从EP切换到EN时刻电弧等效电阻急剧减小引起的电流冲击问题,提出一种变参数PI控制结合超前控制降低切换极性时的电弧冲击电流的控制策略。结果表明,控制策略既保证了焊接电弧的稳定,又显著降低了切换极性过程中电流冲击的峰值。