变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性.pdf

变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性８３变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性ＷｅｌｄＦｏｒｍａｔｉｏｎＳｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＦｏｒｃｅｉｎＶａｒｉａｂｌｅＰｏｌａｒｉｔｙＰｌａｓｍａＡｒｃＫｅｙｈｏｌｅＷｅｌｄｉｎｇ韩永全，郭龙，陈树君，杜茂华，吴永军（１内蒙古工业大学材料成型重点实验室，呼和浩特０１００５１；２北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京１０００２２）————ＨＡＮＹｏｎｇｑｕａｎ，ＧＵＯＬｏｎｇ，ＣＨＥＮＳｈｕｊｕｎ，ＤＵＭａｏｈｕａ，ＷＵＹｏｎｇｊｕｎ（１ＭａｔｅｒｉａｌｓＦｏｒｍｉｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｏｈｈｏｔ０１００５１。Ｃｈｉｎａ：２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２２，Ｃｈｉｎａ）—摘要：通过ＹＢ００５０１型压力变送器测定相同参数条件下正极性等离子电弧力大于反极性等离子电弧力，并建立了铝合金ＶＰＰＡ焊接穿孔熔池受力模型，分析了在不对称正、反极性等离子电弧力的作用下，穿孑Ｌ溶池稳定性及其焊缝成形机理。同时进一步分析铝合金ＶＰＰＡ力学特性，掌握了焊接电流和离子气流量等重要焊接参数对其影响。经穿孔焊工艺实验，合理选择正、反极性电流幅值和离子气流量等参数，保持穿孑Ｌ熔池热和力的平衡，为获取铝合金ＶＰＰＡ焊接稳定的工艺规范提供了理论支持。关键词：变极性等离子弧；电弧力；焊接工艺参数中图分类号：ＴＧ４５６．２文献标识码：Ａ—文章编号：１００１４３８１（２０１１）１２００８３￣０４—Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵｓｉｎｇＹＢ００５０１ｐｒｅｓｓｕｒｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｔｈｅｐｌａｓｍａａｒｃｆｏｒｃｅｉｎｐｏｓｉｔｉｖｅｐｏｌａｒｉｔｙｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｉｎｒｅｖｅｒｓｅｐｏｌａｒｉｔｙｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌａｎｄｆｏｒｃｅｍｏｄｅｌｓｏｎａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｖａｒｉａｂｌｅｐｏｌａｒｉｔｙｐｌａｓｍａａｒｃ（ＶＰＰＡ）ｋｅｙｈｏｌｅｍｏｌｔｅｎｐｏｏｌｗｅｒｅｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｋｅｙｈｏｌｅｍｏｌｔｅｎｐｏｏｌａｎｄ—ｔｈｅｆｏｒｍｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｗｅｌｄｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌａｎｄｆｏｒｃｅｉｎａｓｙｍｍｅｔｒｉｃｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｒｅ—ｖｅｒｓｅｐｏｌａｒｉｔｙｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙｆｕｒｔｈｅｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｖａｒｉａｂｌｅｐｏｌａｒｉｔｙｐｌａｓｍａａｒｃｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄｔｈｅｒｍａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅｋｅｙｗｅｌｄｉｎｇｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｎｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｐｌａｓｍａａｉｒｆｌｏｗｗｅｒｅｍａｓｔｅｒｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｋｅｙｈｏｌｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｅａｓｏｎａｂｌｙｓｅｌｅｃｔｅｄｐｏｓｉｔｉｖｅａｎｄｒｅｖｅｒｓｅｐｏｌａｒｉｔｙｃｕｒｒｅｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｐｌａｓｍａａｉｒｆｌｏｗｗｈｉｃｈｋｅｅｐｔｈｅｒｍａｌａｎｄｆｏｒｃｅｂａｌａｎｃｅｄｕｒｉｎｇｋｅｙｈｏｌｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｇｅｔｔｉｎｇｓｔａｂｌｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｖａｒｉａｂｌｅｐｏｌａｒｉｔｙｐｌａｓｍａａｒｃｗｅｌｄｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＶＰＰＡ；ａｒｃｆｏｒｃｅ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｗｅｌｄｉｎｇ铝合金具有质量轻、比强度高和耐腐蚀性好等优点。铝合金焊接结构在航空航天、交通运输、国防和食品化工等领域中得到广泛应孔铝合金的焊接技术一直是作为航天飞行器设计与制造的关键技术之一在国内外航天工业领域受到重视。ＶＰＰＡ焊接方法与其他方法相比，具有能量集中、电弧挺度大、一次穿透深度大、焊接变形小等特点。在土星系列运载火箭的贮箱以及航天飞机贮箱的焊接中歇尔航天飞行中心使用了这种技术焊接２２１９铝合金，共焊接了６４００ｍ长焊缝，且经１００Ｘ射线检测未发现任何内部缺陷］。ＶＰＰＡ焊接常用于穿孔立焊工艺，更有利于消除气孔等焊接缺陷，因此欧美发达国家已将该焊接方法用于火箭简体、铝合金贮箱和宇宙飞船铝合金壳体的焊接中，同时被认为是２１世纪具有广泛应用前景的焊接方法之一［一。然而，ＶＰＰＡ焊接过程复杂，其焊接方法调节参数多，影响等离子电弧特性和焊缝成形的因素也很多，因此，焊接过程稳定性是制约该焊接方法被广泛应用的关键所在＿８］。必须了解ＶＰＰＡ焊接电弧产热机理＿９１］和电弧力行为＿】才能把握力和热对熔池穿孔的作用，并能保证焊缝成形及焊接过程的稳定性］。８４材料工程／２０１１年１２期目前，对变极性等离子电弧特性方面的研究还很少，尤其在理论与实际的结合方面研究不够深入。ＶＰＰＡ适用于中厚板铝合金穿孑Ｌ焊工艺，控制好穿孔的力是该工艺的关键所在。本工作建立了穿孔熔池受力模型，分析了电弧力对立焊穿孔熔池稳定性及其焊缝成形的影响机理，并实现厚板铝合金的穿孔焊接。１实验设备及材料实验所采用的ＶＰＰＡ力测试系统如图１所示。焊接电源为自行研制，以８０Ｃ１９６ＫＣ单片机为控制核心，主电路为双逆变型电路拓扑结构的ＶＰＰＡ一３型变极性等离子逆变电源。压力传感器为中科院总体工程研究所研制的ＹＢ００５～０１型压力变送器。该压力变送器的功能是将０～０．０５ＭＰａ气体压力转换为０～５Ｖ的电压信号输出，并且线性度良好，能够跟踪毫秒级气体压力的变化。实验材料为ＬＤ１０铝合金。图１焊接电弧特性检测系统Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇａｒｃｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｙ２等离子弧焊穿孔熔池受力分析铝合金穿孑Ｌ等离子弧立焊时，穿孔熔池上所受力包括等离子电弧轴向压力、等离子电弧纵向膨胀压力（径向压力）、液态金属重力和弯曲液面所产生的附加压力。图２为穿孔熔池正面受力图。Ｆ为重力，Ｐｉ为等离子弧径向压力，Ｐ为等离子弧的轴向压力，Ｐ为熔池弯曲液面附加压力。Ｐ和Ｐ为熔池弯曲液面附加压力的径向和轴向分量；ＰＦ。和Ｐ分别为等离子弧径向压力、液态熔池重力和等离子弧轴向力沿熔池曲面切线方向的分量；ＰＦ和Ｐ。分别为等离子弧径向压力、液态熔池重力和等离子弧轴向力垂直于熔池流动方向的分量；Ｆ为上部熔池重力。Ｐ一（１）式中：ａ为表面张力；Ｒ为曲率半径。重力对穿孔熔池上半部液态金属而言促使向背面流动，而对穿孔熔池下半部液态金属而言促使向正面流动。为使焊缝正面图２穿孔溶池受力图Ｆｉｇ．２Ｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｋｅｙｈｏｌｅｍｏｌｔｅｎｐｏｏｌ熔池下部液态金属流向焊缝背面，其受力须满足≤Ｐ２＋Ｆ２Ｐ２（２）等离子弧轴向压力过低时，焊缝背面余高小或出现背面凹陷。但等离子弧轴向压力过大时，流向焊缝背面的液态金属量过多，使焊缝背面余高过高而焊缝正面余高过低。等离子弧径向压力、熔池上部重力和弯曲液面产生的附加压力共同决定穿孔直径大小。若要形成稳定ｄｑ＇Ｌ，实现穿孔焊接，上部液态熔池所受力须满足≥Ｐｌ＋ＰＦ３（３）焊接过程中在其他参数不变的条件下等离子电弧径向压力决定小孔直径的大小，小孔直径的大小又直接影响焊缝正、反面的余高和宽度，甚至影响到穿孔熔池的稳定性。从式（３）可以发现，在铝合金ＶＰＰＡ穿孔立焊工艺中等离子弧径向压力（等离子弧膨胀力）必须达到一定值后才能克服液态熔池上部重力，形成稳定的小孔。但在一定板厚条件下，等离子弧径向压力过大会使小孔孔径过大，破坏良好的焊缝成形。等离子弧径向压力和轴向压力取决于具体焊接参数。等离子弧轴向压力为静压力和动压力之和。等离子弧径向压力Ｐｉ采用式（４）计算Ｐ一旦４ｎ象１２（４）式中：为焊接电流；Ｒ为等离子弧半径；为常数。在等离子弧焊接过程中，主电弧要受到水冷喷嘴孑Ｌ道的机械压缩作用，并且电弧会受到从纵向吹过的离子气流及水冷孔道壁的冷却作用，因此会产生热收缩和弧柱电流所形成的电磁收缩。在等离子弧轴向压力中等离子弧动压力占据主要地位。计算式为下式Ｐ一ｚ（５）