脈沖調(diào)制變極性等離子弧鋁焊穿孔熔池穩(wěn)定性

原理與發(fā)展

變極性等離子弧焊（variable polarity Plasma Arc welding，VPPAW）即不對(duì)稱方波交流等離子弧焊，是一種針對(duì)鋁及其合金開(kāi)發(fā)的新型高效焊接工藝方法。它綜合了變極性 TIG焊和等離子弧焊的優(yōu)點(diǎn)。一方面，它的特征參數(shù)，電流頻率、電流幅值及正負(fù)半波導(dǎo)通時(shí)間比例可根據(jù)工藝要求獨(dú)立調(diào)節(jié)，合理分配電弧熱量，在滿足焊件熔化和自動(dòng)去除焊件表面氧化膜的同時(shí)，最大限度地降低鎢極燒損；另一方面，可有效地利用等離子束流所具有的高能量密度、高射流速度、強(qiáng)電弧力的特性，在焊接過(guò)程中形成穿孔熔池，實(shí)現(xiàn)鋁合金中厚板單面焊雙面成形。

變極性等離子弧焊接技術(shù)主要用于各種鋁合金的焊接，其單道焊接鋁合金厚度可達(dá)25.4mm。 VPPAW的工藝特點(diǎn)是在焊接過(guò)程中，正極性電流（ DCEN）幅值、反極性電流(DCEP)幅值、一個(gè)周波內(nèi)正反極性電流持續(xù)時(shí)間的比例可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，這既有利于焊縫熔透，又有利于清理鋁合金氧化膜。VPPAW在鋁合金的焊接中采用小孔型向上立焊工藝，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少鋁合金的氣孔缺陷，因此被稱為“零缺陷焊接”方法。

圖1a：焊接示意圖

1：母材；2：熔融焊縫金屬；3：拘束電弧噴嘴

4：保護(hù)氣體；5：冷卻液；6：等離氣體

7：焊絲；8：等離子弧穿孔

圖1b：變極性波形

圖1所示為 VPPA穿孔立焊及常用的電流波形。為了減少鎢極的燒損，反極性電流幅值高于正極性幅值，正反極性脈寬比約為19:4。國(guó)外使用經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于不同的鋁合金，其正反極性幅值和脈寬參數(shù)也稍有區(qū)別，見(jiàn)表1。

VPPAW小孔焊的優(yōu)點(diǎn)

等離子弧焊工藝方法主要有兩種，熔入法和小孔法。當(dāng)焊件較薄時(shí)，往往采用熔入法進(jìn)行施焊；當(dāng)焊件較厚時(shí)，常采用小孔法進(jìn)行焊接。采用小孔法進(jìn)行焊接時(shí)，等離子弧將焊件完全熔透，并在等離子流力的作用下形成一個(gè)穿透焊件的小孔，熔化金屬被排擠在小孔周圍、隨著等離子弧在焊接方向上的移動(dòng)，熔化金屬沿著電弧周圍的熔池壁向熔池后方移動(dòng)，并在正反面結(jié)晶成形，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形。

美國(guó) Boeing公司、 Hobart公司和美國(guó)航天局 Marshall space flight center等在這方面的研究工作表明，在鋁合金的焊接中，小孔型等離子弧焊是一種最理想的鋁合金焊接方法。

同一般的非壓縮的鎢極氬弧焊相比，小孔型 VPPA焊接方法在工藝上具有許多突出的特點(diǎn)。

1.焊縫內(nèi)部缺陷少，如氣孔、夾渣等。在小孔型等離子弧焊接過(guò)程中，等離子弧以及離子氣流穿過(guò)小孔起著一定的沖刷作用，在其他焊接方法中殘留在熔化金屬中生成氣孔的氣體會(huì)被等離子弧以及離子氣流通過(guò)小孔帶走，夾渣也同樣被沖刷掉。 Reiner knock在進(jìn)行反極性小孔型等離子弧焊接鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，與 TIG焊相比，氣孔明顯減少，對(duì)于純鋁的焊接效果更為顯著，基本上無(wú)氣孔存在。

2.可焊厚度范圍寬。等離子弧熔透能力強(qiáng)，對(duì)于6mm厚的鋁合金可以實(shí)現(xiàn)各種位置的焊接。研究結(jié)果表明，如果不填充焊絲，平板對(duì)焊，單道焊最大厚度是8mm,若焊接更厚的材料，必須采用立焊方法。對(duì)于15.9mm以下的鋁合金，可以一次性焊透；對(duì)于15.9mm以上的、鋁合金通常要制備較為復(fù)雜焊接接頭，現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了25.4mm厚鋁合金的一次性穿透焊接。

目前，單道焊的最大可焊厚度似乎不是焊接方法本身的限制，而是受焊接電源功率的限制，如果增大焊接電源的額定功率，焊接更厚的材料也是可能的。

3.焊后焊件小。由于等離子弧熔透能力強(qiáng)，加熱集中，熔化區(qū)域小，而且小孔型焊接對(duì)焊件正、反面加熱均勻，減少了焊后焊件的撓曲變形，與焊相比焊件的撓曲變形明顯減小。

4.焊縫力學(xué)性能有所提高。小孔型等離子弧焊焊縫與 TIG焊焊縫進(jìn)行比較，在焊后狀態(tài)下，屈服強(qiáng)度相差不多，可是，在刮掉根部焊縫和加厚高的條件下，小孔型等離子弧焊焊縫的屈服強(qiáng)度要高于 TIG焊焊縫的屈服強(qiáng)度。這說(shuō)明等離子弧弧焊質(zhì)量在一定程度上，要高于其他弧焊方法的焊縫質(zhì)量，焊縫力學(xué)性能好，而且焊縫變形較小。

5.效率高、成本低。由于等離子弧能量密度高，穿透能力強(qiáng)，因此小孔型等離子弧焊可焊厚度大，特別對(duì)于厚板焊接，焊道次數(shù)大大減少，焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣等缺陷少。焊接接頭變形小，減少了焊后檢驗(yàn)工作和修補(bǔ)工作量，對(duì)接頭可采用I型坡口，而且對(duì)油污的敏感性小，焊前準(zhǔn)備工作量少，無(wú)論是在時(shí)間上還是在費(fèi)用上明顯少于 TIG焊和 MIG焊，是一種高效率、低成本的焊接方法。

鋁合金 VPPAW焊接工藝

存在的不足

1.焊接可變參數(shù)多，規(guī)范區(qū)間窄；

2.采用立向上立焊工藝，只能自動(dòng)焊接；

3.焊槍對(duì)焊縫質(zhì)量影響較大，噴嘴壽命短。

本文編輯：糖糖

◎本文節(jié)選自哈爾濱工業(yè)大學(xué)林三寶等老師編寫(xiě)《高效焊接方法》

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第二步：

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