自動變極性焊接成型系統(tǒng)主要功能

原理與發(fā)展

變極性等離子弧焊（variable polarity Plasma Arc welding，VPPAW）即不對稱方波交流等離子弧焊，是一種針對鋁及其合金開發(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。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)通時間比例可根據(jù)工藝要求獨立調(diào)節(jié)，合理分配電弧熱量，在滿足焊件熔化和自動去除焊件表面氧化膜的同時，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、強電弧力的特性，在焊接過程中形成穿孔熔池，實現(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的工藝特點是在焊接過程中，正極性電流（ DCEN）幅值、反極性電流(DCEP)幅值、一個周波內(nèi)正反極性電流持續(xù)時間的比例可以分別獨立調(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。國外使用經(jīng)驗表明，對于不同的鋁合金，其正反極性幅值和脈寬參數(shù)也稍有區(qū)別，見表1。

VPPAW小孔焊的優(yōu)點

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，往往采用熔入法進(jìn)行施焊；當(dāng)焊件較厚時，常采用小孔法進(jìn)行焊接。采用小孔法進(jìn)行焊接時，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，熔化金屬沿著電弧周圍的熔池壁向熔池后方移動，并在正反面結(jié)晶成形，實現(xiàn)了單面焊雙面成形。

美國 Boeing公司、 Hobart公司和美國航天局 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。

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程中，等離子弧以及離子氣流穿過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被等離子弧以及離子氣流通過小孔帶走，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發(fā)現(xiàn)，與 TIG焊相比，氣孔明顯減少，對于純鋁的焊接效果更為顯著，基本上無氣孔存在。

2.可焊厚度范圍寬。等離子弧熔透能力強，對于6mm厚的鋁合金可以實現(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。對于15.9mm以下的鋁合金，可以一次性焊透；對于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，加熱集中，熔化區(qū)域小，而且小孔型焊接對焊件正、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度要高于 TIG焊焊縫的屈服強度。這說明等離子弧弧焊質(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，因此小孔型等離子弧焊可焊厚度大，特別對于厚板焊接，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，減少了焊后檢驗工作和修補工作量，對接頭可采用I型坡口，而且對油污的敏感性小，焊前準(zhǔn)備工作量少，無論是在時間上還是在費用上明顯少于 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，只能自動焊接；

3.焊槍對焊縫質(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《高效焊接方法》

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第二步：

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