高强铝合金脉冲VPPA特性及工艺研究

发布时间：2020-04-18 06:58

【摘要】：高强铝合金密度小、比强度高、机械加工性能好,被广泛应用于航空、航天及军工领域。但是其特有的物理性能使其焊接性不佳,现代工业对铝合金高效率、高质量的焊接方法提出了严苛的要求。铝合金变极性等离子弧即VPPA(Variable Polarity Plasma Arc)焊接方法与TIG焊或者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。在典型VPPA中加入高低频脉冲会进一步使其能量集中、穿透能力强的优点充分体现,获得良好的焊接效果。运用C语言编程,建立了以MSP430F449作为控制核心高强铝合金脉冲调制VPPA焊接系统及焊接过程检测分析系统。该VPPA焊接系统包括脉冲调制VPPA焊接电源和立焊工作系统;检测分析系统包括高速摄像、汉诺威质量分析仪以及电弧压力传感系统。对焊接波形程序进行二次开发,最终输出正反极性时间比不同的、高低能差值不同的、高低频频率不同的等多个双脉冲VPPA焊接电压电流波形。脉冲VPPA电弧的力学特性与自由电弧有明显区别,本文在分析脉冲VPPA电弧形态的基础上,结合脉冲VPPA电压电流波形的变化,定量研究了电弧的力学特性。利用电弧压力传感系统对脉冲VPPA电弧中心压强做了测试分析,离子气流量和焊接电流对脉冲VPPA电弧中心压强起主要作用,焊接电流对中心压强影响更大;其他条件相同,随变极性周期不变反极性时间增大时,脉冲VPPA电弧中心压强比典型VPPA电弧中心压强减小速率约慢0.8%;由于高频1kHz时电压电流波形畸变,脉冲效应减弱,高频500Hz时脉冲VPPA电弧中心压强比高频1kHz时的平均压强高约0.32kPa,高出0.81%;高低能差值增大,电弧不稳,电压电流概率密度曲线出现多个小尖峰。研究了不同焊接参数条件下高强铝合金脉冲VPPA焊接工艺特点,获得了良好质量焊缝。采取合理的焊接工艺参数及控制措施,保证焊接过程穿孔熔池的“力”和“热”的平衡,是获得良好焊缝的关键。经过大量焊接工艺试验,变化焊接电流、离子气流量、正反极性时间比和低频频率参数,分析焊缝成形变化规律。最终实现了6mm厚的7075铝合金试板焊接工艺,获得了6mm厚的7075铝合金试板的较佳焊接参数,为中厚板高强铝合金脉冲VPPA焊接工艺研究提供了实际参考。对6mm厚7075铝合金脉冲VPPA焊接接头进行力学性能测试、断口扫描和金相组织观察。由于高低频脉冲混合调制的冲刷搅拌作用,发现脉冲VPPA焊接接头显微组织晶粒较典型VPPA焊接接头的力学性能有所提高,无气孔等缺陷。
【图文】：

示意图,电流波形,示意图,钨极烧损

小不能随意改变且反极性时间的减小有限。等离子弧焊接离子弧焊接与以上几种等离子弧焊接方法相比，不仅能够对行清理，而且具有其他焊接方法不具备的优点，可以减少钨，，铝合金工件表面的氧化膜清理宽度、钨极的烧损程度都与有关。随着 IDCEP×TDCEP的增大，铝合金试板表面氧化膜的烧损量也增加。在交流 TIG 进行焊接时，反极性电流和反况下，IDCEP增大，TDCEP减小的情况要比，IDCEP减小，TDC小[19]。所以热积累时间的长短是影响钨极烧损程度大小的主过 6ms，则钨极烧损严重，并且出现“双弧”现象[20]。鉴于PA 焊接工艺采用大的反极性电流 IDCEP、小的反极性时间 T图如图 1-1 所示，IP、IN分别为正负半波电流幅值，TN、TP时间，T 为一个变极性周期。

系统框图,弧焊接,系统框图

第二章脉冲 VPPA 立焊系统的建立据中厚板铝合金变极性等离子弧（VPPA）焊接工艺要求，进行中厚板等离子弧穿孔立焊系统的研制。典型 VPPA 焊接电弧是不对称方波交 VPPA 焊接电弧是在不对称方波交流电弧的基础上增加低频的高低能冲，采用交流焊接时，需要换相，此时因为电流过零导致电弧瞬时熄重新引燃焊接电弧。采用的功率开关管响应快，只有几个微秒响应时再引燃很容易，当然，变极性等离子电弧的响应速度是与整个系统有关。本课题研究采用 MSP430F449 单片机芯片作为控制核心，焊接电源各以达到国内外同类焊机先进水平。本论文的铝合金变极性等离子弧焊接：IGBT 双逆变式 VPPA 焊接电源、等离子弧焊枪、工件行走机构、脉冷却水装置等。可供选择的模块还包括基于激光测距原理的弧高控制制机的工艺管理系统等。如图 2-1 所示为变极性等离子弧焊接系统框变极性离子弧焊接系统图。等离子
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG457.14

【参考文献】