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。

焊研科技倾力打造“天宫一号”专用高精密焊接装备产学研结合助推中国航天事业——专访“VPPAW变极性等离子焊接系统”项目组组长庄严

伴随着“天宫一号”和“神舟九号”的成功发射和对接，凸显了我国航天科技的惊世发展，同时标志着中国制造技术的巅峰之作。在这举世欢腾之际，成都焊研科技有限责任公司的庄严部长和他的研发团队也倍感欣慰和荣耀，因为他们曾为我国航天事业做出过焊接人的努力和贡献，从一张设计草图开始，不断创新，不断完善付出了艰辛的研发和制造历程，成功研发出“天宫一号”专用“VPPAW变极性等离子焊接系统”。

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.

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。

2219铝合金变极性等离子横焊接头补焊性能研究

对厚度8 mm的2219铝合金变极性等离子横焊接头进行TIG补焊,获得了成形良好的补焊接头,并对焊缝力学性能、微观组织、断裂模式及断口形貌进行了分析。结果表明,补焊接头的力学性能和弯曲性能较高,达到母材强度60%以上,断后延伸率约为4%;补焊接头生成的共晶组织是造成补焊接头与原焊缝交界处开裂的主要原因;受组织及气孔的影响,补焊接头断裂路径和模式分为3种,断口韧窝多、深度浅,为韧性断裂。

工艺参数对铝合金变极性等离子横焊接头的影响

采用变极性等离子弧对厚度6mm的2219铝合金进行横焊工艺研究，详细分析了工艺参数对接头形貌、组织及力学性能的影响。研究结果表明：当增大喷嘴中心孔孔径，焊枪略微向上倾斜，工艺参数匹配合理时，变极性等离子弧能够获得形貌较好的横向焊缝。接头抗拉强度约为260—270MPa，达到母材的59％，延伸率约为3．5％。在焊接电流较小，焊接速度较快时，接头可获得细小的等轴晶组织。

厚板铝合金变极性等离子弧横焊接头性能分析

以厚度8mm的2219铝合金为对象，采用变极性等离子弧工艺，获得了焊缝成形良好的横焊接头。通过分析对比焊接电流与离子气流量匹配关系，获得了横焊工艺规范窗口。同时，研究了横焊接头不同区域组织及力学性能。结果表明：采用焊接工艺窗口内的参数焊接的横焊接头，抗拉强度约为240～250MPa，延伸率在3．1％～3．5％之间，接头断裂位置主要发生在接头上部熔合线附近的气孔密集区。接头组织具有不对称性，上部组织更为细小，接头中心位置显微硬度最低，两端热影响区硬度逐渐增高。

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。

变极性等离子焊设备控制系统研究

根据变极性等离子焊机的发展方向,提出了双电源等离子焊设备的设计方案,其中主电路采用逆变技术,控制系统则采用单片机控制技术代替传统的模拟控制技术.通过控制定时器8253的输出改变IGBT的通断时间,实现对变极性等离子弧焊设备电流频率、正负半波导通比的调节和控制.实验表明,以单片机80C552为核心组成的变极性等离子弧焊设备控制系统硬件设计简单,调节方便,显著提高了系统的可靠性.

7075铝合金中厚板变极性等离子穿孔立焊工艺

采用厚10 mm的7075铝合金板材为研究对象,以焊缝正面熔宽和背面熔宽为特征参数,研究变极性等离子弧穿孔立焊铝合金的工艺特点以及焊接参数变化对焊缝成形特性的影响,分析多种参数变化对焊缝成形的影响规律。结果表明,通过优化正反极性电流、离子气流量、送丝速度、焊接速度等工艺参数的合理匹配,可获得具有稳定穿孔效应并保证穿孔熔池力和热平衡的焊缝,避免了热裂纹、气孔等缺陷的产生,其外观均整、焊接变形小、焊接效率高。

铝合金变极性等离子焊阴极清理规律研究

变极性等离子弧焊是近年来发展起来的用于铝及其合金焊接的一种新方法,其核心问题之一是如何合理利用阴极清理作用并减少钨电极烧损。采用自行研制的变极性等离子弧焊设备对阴极清理作用效果及其相关因素进行了研究,找到了其一般规律。

2219铝合金变极性等离子弧穿孔焊接工艺研究

采用上坡焊的方法,以不同的焊接倾角对2219铝合金进行变极性等离子弧穿孔焊接。通过对不同焊接倾角条件下得到的焊缝进行焊缝成形、焊缝尺寸、显微组织及焊缝强度的分析,得出不同焊接倾角对变极性等离子弧穿孔焊接的影响。结果表明,当焊接倾角小于20°时,焊缝不能良好成形;当倾角小于40°时,焊缝区有少量气孔。

基于keilC51实现对变极性等离子焊控制系统编程

KeilC51是一种结构化的语言,具有灵活、高效等优点。利用C51对变极性等离子焊控制系统编程表明,同汇编编程相比,整个程序可读性和结构化较好,算法的实现也较汇编语言简单。可完全满足变极性等离子弧焊设备对电流频率、正负半波导通比等参数的调节和控制的要求。

变极性等离子弧穿孔立焊工艺及装备

【主要内容】铝合金的密度比钢低3倍多,是航空航天行业的主要结构材料。由于铝合金表面有一层致密的氧化膜,必须采用交流钨极氩弧焊接工艺,利用铝为负极的"阴极破碎"作用清理氧化膜。但氧化膜的清理只要适量即可,过度清理也会影响焊接过程稳定性和焊缝质量。变极性(VP)焊接电源实质上是一种正负半波的幅值和时间都可调整的不对称交流方波电源,可以在保证合适阴极清理效果前提下,减小钨电极的烧损和增加焊接熔深。

镁合金变极性等离子缝焊接头微观组织分析

以5mm厚的变形镁合金AZ31B板材为主要试验对象,研究了变极性等离子缝焊的工艺特点。利用光学显微镜和X射线衍射仪(XRD)等分析测试手段,对焊接接头进行了微观组织分析。结果表明:镁合金变极性等离子缝焊的焊接所得的接头热影响区窄、焊缝区晶粒细小、无Mg17Al12和其他杂质相的存在,无明显缺陷。

2219-T87铝合金变极性等离子焊接接头软化行为分析

采用变极性等离子焊接4 mm厚的2219-T87铝合金板材,并对焊接接头的软化行为进行试验研究。通过拉伸试验、硬度测试和微观金相试验来分析焊接接头的强度、硬度、组织,系统研究变极性等离子焊接接头软化行为,并与TIC焊工艺方法进行对比试验分析。结果表明:采用变极性等离子焊接4 mm厚的2219-T87铝合金板材,焊接接头的拉伸性能优于TIG焊,抗拉强度平均提高了6%左右,断后伸长率平均提高了67%左右;焊缝区和热影响区的硬度都高于TIG焊;从试验测试点数来看,采用VPPA焊接的焊缝熔宽和热影响区宽度都较小;热影响区的第二相质点都存在一定的长大,但长大倾向较小。总的来说采用变极性等离子焊接4 mm厚的2219-T87铝合金板材,有效改善了焊接接头的软化,提高了接头的强度。

2219铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺研究

通过典型不等厚度2219铝合金变极性等离子弧(VPPA)穿孔立焊焊接工艺试验,研究了VPPA立焊工艺特性和工艺参数对焊缝成形的影响,并评定了接头的综合性能,确定了接头的最佳焊接工艺。试验表明,采用匹配的工艺参数进行VPPA立焊,可形成稳定穿孔效应和良好成形,其焊缝无任何气孔、夹杂,力学性能和接头质量高于TIG焊缝。

2219铝合金及变极性等离子接头的低温力学性能

通过拉伸试验,测定了2219-T87铝合金母材及其变极性等离子焊焊接接头不同温度下的力学性能。利用光学显微镜与扫描电镜等手段,对母材和焊接接头的微观组织及断口形貌进行了观察和分析,研究了低温对母材和焊接接头性能的影响。试验结果表明,该铝合金具有低温增强增韧现象,适用于低温条件下工作;VPPAW接头强度塑性提高的同时低温延伸率变化不大。探讨了低温对母材及焊接接头性能的影响机理。

补焊对5A06铝合金变极性等离子焊接接头的影响

本文通过拉伸、金相检测等试验,对变极性等离子弧焊接接头及采用手工钨极氩弧焊分别进行了一次补焊、两次补焊的5A06铝合金变极性等离子焊缝焊接接头性能和组织进行了研究。结果表明：5A06铝合金变极性等离子弧焊缝出现缺陷时,可采用手工钨极氩弧焊进行补焊,补焊后焊缝抗拉强度有明显下降,但仍能达到母材抗拉强度下限值的90%。对比正常变极性等离子弧焊焊缝,补焊后焊缝区形成明显的枝晶网络,强化相β相及杂质相沿枝晶晶界析出,在晶内形成大量的空白区域,两次补焊后合金相沿晶界析出更为粗大,网状特征更为明显。