VPPA特性及变断面铝合金穿孔等离子弧焊接工艺

摘要

铝及其合金由于具有比重小、强度高、抗腐蚀性强等优点已经被广泛应用在航空、航天、核能以及军事工业等各个领域。穿孔等离子弧焊工艺是中厚板铝合金焊接最为理想的焊接工艺。变极性等离子弧VPPA(VariablePolarityPlasmaArc)焊接方法与TIG焊或MIG焊相比，具有能量集中、电弧挺度大、一次穿透深度大、焊后变形小等优点。因此，变极性穿孔等离子弧立焊工艺是一种适合于航空、航天领域重要铝合金构件焊接的方法。 本文建立了以80C196KC单片机为控制核心的铝合金变极性等离子弧焊接系统，包括焊接电源、离子气流量控制器、基于工控机的焊接过程信号检测分析系统及行走送丝机构等。焊接电源为模块化设计的IGBT双逆变型恒流源，其工作稳定性好、可靠性高，正、反极性焊接电流分别独立可调。焊接过程中可实现焊接电流、离子气流量和焊接速度的联合在线调节。研制的离子气流量控制器由单片机进行程序控制，精度高、便于控制，焊接过程中可进行实时调节离子气流量。焊接过程信号检测系统可使焊接过程信息化，在线和离线状态下对焊接过程信息进行分析。 等离子焊接电弧的力学特性明显区别于自由电弧。本文分析了变极性等离子电弧的力学特性，提出了联合型变极性等离子电弧和转移型变极性等离子弧在正、反极性期间由于电弧形态的差异具有不同的力学特性。在变极性等离子弧的反极性期间，联合型等离子弧以及未切断维弧电源的转移型等离子弧，由于维弧通路的分流作用，电弧力大幅度下降。通过大量实验定量分析了电流幅值、离子气流量、变极性频率、正/反极性时间比、弧高和钨极内缩量等参数对变极性等离子弧力的影响规律，为厚板及其变断面铝合金变极性穿孔等离子弧焊接参数的选择提供了理论依据。 穿孔熔池的可靠建立是VPPA焊接过程稳定、获得良好焊缝质量的先决条件。本文分析了VPPA焊接穿孔熔池的受力及电弧产热机理，建立了铝合金变极性等离子电弧功率计算模型，提出了VPPA穿孔立焊焊缝稳定成形的条件是实时保持穿孔熔池上“热”和“力”的平衡。研究了不同规范条件下的铝合金VPPA焊接特点，大规范焊接条件下设计了交、直流混合输出和固定过零电流VPPA焊接工艺，从而提高了焊接工艺稳定性和拓展了铝合金VPPA焊接方法的工艺规范区间，实现了6mm至15mm不同厚度铝合金试件VPPA焊接工艺，确定了不同板厚铝合金VPPA焊接工艺区间。 变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺是在实际工程应用中亟待解决的难题。VPPA力学特性分析和厚板VPPA焊接工艺特点研究为变断面铝合金穿孔等离子弧焊接提供了理论依据和基础数据。变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺的实现，可提高该焊接方法的工艺适应性，并拓展其应用范围，而且能够促进对VPPA焊接工艺特点的进一步科学认识。本文分析变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺特点，发现当小孔稳定建立之后，工件厚度在一定范围内变化时，焊接参数具有可兼容性。在此基础上提出通过对焊接参数的精确程序控制，可实现变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺方法，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焊接过程中的调节参数。应用“热”和“力”平衡原理，对焊接电流、离子气流量和焊接速度的在线联合调节，保持穿孔熔池上热和力的平衡状态，实现了6-10、8-12、6-12mm三种变断面铝合金变极性等离子弧穿孔立焊工艺。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

第2章VPPA穿孔立焊系统的建立

第3章VPPA力学特性研究

第4章厚板VPPA焊接工艺特性研究

第5章变断面铝合金VPPA焊接工艺研究

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢