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。

高频脉冲变极性焊接工艺性能研究

分析了高频脉冲电流对变极性焊接电弧特性、焊接工艺及焊缝性能的影响,试验结果表明,高频电流脉冲能够较大程度地压缩电弧等离子体、提高电弧轴向压力及电弧挺度,在相同焊接电流有效值的情况下,频率在5kHz以上的电流脉冲能将电弧力提高到普通变极性焊接的260%左右。同时高频脉冲电流能够提高变极性焊接的焊缝熔深,减小焊缝正面余高以及改善焊接效率。对于2219-T6时效强化铝合金而言,采用叠加10kHz高频脉冲变极性焊接工艺,焊缝抗拉强度在未经任何焊后热处理的情况下能够达到300MPa左右,相当于母材强度的67%。

新型变极性焊接电源二次逆变电路及其控制技术

提出了一种用于变极性焊接电源的新型半桥式二次逆变电路拓扑,它由续流耦合电感、IGBT半桥电路及其RC缓冲电路组成.该电路既能确保在极性切换过程中获得快速的焊接电流换向速度,又能够通过硬件电路本身提供足够高的再燃弧电压,用以在焊接电流过零瞬间重新引燃电弧.针对新型半桥式二次逆变电路的特点,研究了开关切换控制策略以及换向电流控制策略.结果表明,电源系统在具有良好的变极性输出性能的同时,还有硬件电路结构简单、成本低、系统效率高等优点,具有很好的产业化应用前景.

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弧稳定性的措施。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。

变极性焊接电源的发展

变极性焊接电源是一种用于铝及其合金焊接的新型电源。论文讨论了目前获得不对称方波交流电流的各种方法，介绍了双逆变式变极性焊接电源的主电路、控制电路及其工作原理。认为双逆变式变极性电源是目前铝合金焊接最理想的电源之一。

稳压式变极性焊接电源二次逆变拓扑及控制策略

文中提出了一种新型稳压式变极性焊接电源二次逆变电路拓扑.通过合理地控制二次逆变电路中功率器件的开通和关断,其中的反向稳压电路可以在焊接电流的极性变换过程中产生稳定的反向电压,促使焊接电流快速过零.对二次逆变的换流过程进行了深入分析,导出了换流时间和关键节点电流的理论计算公式,研究了耦合电感值和功率器件共同导通时间对换流过程的影响规律.对电源输出电流和电缆两端电压波形进行了实际测试.结果表明,利用所提出的二次逆变电路拓扑及其控制策略可以实现电流极性的快速转换,波形无畸变.

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.

稳压式变极性焊接电源中的IGBT功率损耗和温升模型

在稳压式变极性焊接电源的输出电流极性变换过程中,加载在绝缘栅双极型晶体管(IGBT)上的瞬间脉冲功率损耗可能会使IGBT结温发生突变,可能超过最高结温允许值,进而影响其安全工作。该文利用热-电等效的局部网络模型,导出了在电源给定输出电流和再燃弧电压等参数条件下的IGBT最高结温计算公式,并将计算结果与仿真结果进行对比,证明了导出公式的正确性。分析了主要运行参数对IGBT最高结温的影响,获得了在选定IGBT型号时将其结温控制在安全范围的约束条件,为变极性焊接电源二次逆变电路设计时合理选择IGBT器件和优化运行参数提供了参考。

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。

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。

AZ31B镁合金厚板变极性等离子加丝焊接接头性能分析

采用变极性等离子方法焊接AZ31B镁合金,研究了焊接接头的微观组织、元素分布、断口形貌、接头强度和硬度等。结果表明,AZ31B镁合金变极性等离子加丝焊接接头没有明显的热影响区,焊缝成"V"字形;接头成形良好,焊缝为细小的等轴晶,没有发现大面积区域偏析,无脆性相Mg17Al12,但有Al、Mn相;焊接过程镁元素含量变化导致焊缝中铝含量的升高,而Mn、Zn元素含量基本不变;拉伸试验断裂在熔合区,断口表现为混合断裂,没有气孔和裂纹;焊缝硬度大于母材但小于熔合区硬度,沿熔深方向硬度没有明显变化。

AZ31B镁合金厚板变极性等离子加丝焊接及工艺研究

采用变极性等离子焊接方法对AZ31B镁合金进行焊接,通过观察AZ31B镁合金变极性等离子焊接现象,探讨了变极性等离子工艺参数(焊接电流、等离子气流量、焊接速度、送丝速度等)对焊缝成形的影响。试验表明,AZ31B镁合金变极性等离子焊接时将产生烟雾,焊缝正反两面都需要氩气保护,镁合金变极性等离子焊接的工艺范围较宽,通过选择适当的工艺参数可以获得理想的焊缝成形。

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。

变极性等离子弧焊接电弧光谱数据的预处理算法

采用高速摄像机加装带通滤波片的方式获取了变极性等离子电弧的特征谱线,通过预处理算法滤除光谱数据中的噪声信号,获得了变极性等离子弧正反极性期间的温度分布.采用电弧边缘检测和中值滤波算法可以有效滤除电弧特征谱线中的背景噪声和椒盐噪声.光谱诊断结果表明,正反极性期间电弧中心最高温度相差不大.正极性期间由于钨极发射电子能力强,使得电弧同一温度等温线区域更为扩展.试验结果为变极性等离子弧产热机理的研究提供理论依据.

铝合金VPPAW穿孔焊接匙孔闭合处的微观组织与力学性能

铝合金因其密度低,比强度高等特性,被广泛应用到航空航天、军事工业等领域.与其他焊接工艺相比,变极性等离子弧焊接在大型铝合金结构件加工方面具有突出优势.针对轻金属合金等离子弧焊接过程中匙孔难以自由闭合的问题,提出了气电分离时序脉冲等离子弧环焊缝收弧方法,对比研究了环焊缝收弧方法与手工钨极惰性气体保护焊(tungsten inert gas welding, TIG焊)填补法焊缝匙孔闭合处的微观组织与力学性能.结果表明,通过调节焊接起弧、收弧策略,实现了等离子弧匙孔自由闭合,焊缝收弧区成形良好,组织为均匀的等轴晶;抗拉强度为329.9 MPa,断后伸长率为16.3%,比TIG填补法的抗拉强度提高了22.91%,断后伸长率提高了55.24%.平均硬度值为78.9 HV0.2,热影响区硬度呈下降趋势,熔合线处硬度呈升高趋势,焊缝区硬度波动范围为75~81 HV0.2.

变极性等离子弧自动焊接技术在大型密封结构焊接中的应用

文章简要介绍了变极性等离子弧焊接技术在国内外的发展状况以及新一代大型载人航天器密封舱体的结构和材料焊接特点,对变极性等离子弧焊接技术的工程化应用难点进行了分析,并提出关键工艺解决措施。通过研究和试验验证表明,采用变极性等离子弧焊接技术是解决中厚度铝合金焊接结构最好的工艺方案之一;对变极性等离子弧自动焊接技术的应用前景进行了展望。

特高压开关铝制筒体的变极性纵缝等离子弧焊接工艺方法

常规6-12t 5052-H112铝合金板材卷制筒体的纵缝变极性等离子弧焊接工艺是不开破口单面焊双面成型,但此工艺对16t铝合金板材卷制筒体的纵缝变极性等离子弧焊接是难以保证压力容器焊缝焊接质量要求,现通过对16t 5052-H112铝合金板材卷制筒体的纵缝变极性等离子弧焊接工艺不开破口单面焊双面成型,分析工艺参数和方法对焊缝质量的影响,并制定出具体焊接工艺参数。试验结果表明,此类筒体的纵缝采用氦氩混合气作为保护气条件下不开破口单面焊双面成型焊接的方法,可以有效地避免此筒体纵缝焊接过程中受热不均导致焊缝背面局部未焊透、咬边、错边或烧穿等焊接质量问题,保证了焊接质量要求,超声波、着色、X射线探伤等检测完全合格,能够满足平高集团特高压、超高压开关筒体的设计要求。

变极性等离子弧焊在焊接防锈铝合金中厚板压力容器的应用

本文通过变极性等离子弧焊对材料为5A02、5A06、5083,厚度为3~12mm的防锈铝合金筒体进行200余次的焊接生产,其结果验证了变极性等离子弧焊在铝合金中厚板压力容器焊接上的可行性。与传统的TIG焊相比,变极性等离子弧焊不但提高了焊接质量,而且提高了生产效率,在铝合金中厚板压力容器焊接领域具有较高的应用推广价值。

变极性TIG焊电弧燃烧稳定性与恒占空比控制

电流换向的快速性和稳定性是影响变极性TIG焊接电弧燃烧稳定性的关键因素,尤其是在小电流变极性TIG焊时,极易出现熄弧和电弧燃烧不稳定问题.对电流换向期间的电压/电流波形深入分析发现,一次逆变采用基于PID的电流反馈控制获得恒流输出时,在电流换向结束后易产生焊接电流回调现象,小电流焊接时甚至降至零,从而导致电弧熄灭,这与PID控制中的di/dt项密切相关.提出了一次逆变在电流换向期间采用恒占空比控制新方法.结果表明,该方法可有效提高换向电流的响应速度,防止换向后的电流回调或超调,增强了变极性电流换向过程的稳定性.

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.