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。

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。

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.

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。

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。

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。

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 k Hz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.

变极性等离子弧立焊穿孔熔池的稳定建立

改进焊接工艺控制时序,编制起弧系统控制平台及信号采集程序。采用改进的起弧系统对2219铝合金和LF6铝合金薄板及中厚板进行变极性等离子弧立焊工艺试验,利用红外线测温仪检测起弧过程中焊接熔池区域附近的点随预热时间的温度变化,并把该曲线上的临界温度作为检测穿孔熔池是否形成的标志,计算机根据穿孔时刻的临界温度控制焊件行走的使能信号。研究表明：改进的起弧系统能够简化设备操作,提高自动化程度与工作效率；在穿孔形成的瞬间,检测点的温度有一个从高到低的突变过程(穿孔前的瞬间温度达到临界值),而且对于同一检测点,多次测量得到的临界温度基本稳定：起弧阶段向主焊接阶段过渡稳定,能够实现穿孔熔池的稳定建立,从而验证改进的起弧控制系统的可行性及可靠性。

变极性等离子电弧形态对电弧力的影响

研究了变极性等离子弧焊接工艺中,电弧形态及力学行为随焊接过程变化的现象,提出了变极性等离子电弧力学行为随电弧形态的改变而变化的规律。通过高速摄像以及对电弧力和电流的同步检测,证实了联合型等离子弧在反极性时间内易形成双弧的事实。

铝合金变极性等离子弧焊温度场数值模拟

通过高速摄像对正、负极性等离子弧形态进行分析,并分析变极性等离子电弧正、反极性不同产热机理的基础上,采用'高斯+双椭球'组合热源模型,建立正、反极性期间不同热源模型。采用ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric designlanguage,APDL)编程语言实现与实际变极性焊接参数对应热载荷的循环交替加载,计算出铝合金变极性等离子弧焊接温度场及熔池形状。对比分析不同变极性电流和焊接速度条件下焊接熔池的穿透深度,并通过实际焊接试验验证热源模型的准确性。研究结果为准确掌握铝合金变极性等离子弧热源形态、产热机理和等离子弧力等特性,并合理选择焊接工艺参数提供理论依据。

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.

2219-T87铝合金变极性等离子弧焊工艺工程适应性研究

由于变极性等离子焊接过程中可调试参数多且工艺窗口较窄,焊接时需严格控制试板加工和装配精度。8mm厚的2219-T87铝合金试板变极性等离子弧焊(VPPAW)时,装配造成的间隙量和错边量对焊接接头拉伸性能的影响进行试验研究,并对拉伸试样的微观断口进行分析。结果表明,随着装配错边和间隙量的增加,焊接接头抗拉强度和断后伸长率均下降,微观断口准解理比重增加。为保证接头性能,生产中应控制错边和间隙量≤0.5mm。

变极性等离子电弧压力的径向分布

变极性等离子焊接过程中产生的电弧压力将直接影响到熔池的形态以及最后的焊缝成形,因此对其的研究有着十分重要的意义.关于电弧压力径向上的分布规律的探讨,对于电弧以及熔池的力学分析及数值模拟也具有现实的指导意义.利用U形压力计测量了不同焊接电流条件下的变极性等离子弧压力沿径向的分布,讨论了其分布规律,认为变极性等离子弧压力的径向分布仍然属于高斯分布,而不是双面指数分布.同时发现,电弧压力随着电流的增加而增长,但是增长幅度趋于缓和.

变极性等离子电弧力学行为研究

研究了变极性等离子弧焊接工艺参数对变极性等离子电弧力的影响规律,提出了变极性等离子电弧的力学特性,它是变极性等离子电弧的重要特性之一,试验结果对中厚板铝合金变极性等离子弧焊接工艺稳定性以及焊接过程控制有重要的指导意义。

镁合金中厚板变极性等离子弧焊工艺

以5mm厚变形镁合金AZ31B板材为主要研究对象,研究变极性等离子弧焊接镁合金的工艺特点,得到了合理的焊接参数变化区间,并在此基础上分析焊接工艺参数变化对焊缝成形及接头性能的影响。试验结果表明,镁合金变极性等离子弧焊的焊接参数变化区间比较窄,受参数变化的影响较大。改变极性时宽比和阴极清理时间,不仅使工件的清理作用发生变化,而且对接头的抗拉强度产生一定的影响。通过合理选择焊接参数,可以获得理想的焊接结果,接头强度达到母材的90%以上。