[發(fā)明專利]一種單電源VPPA-GTAW雙態(tài)電弧穿孔焊接方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310604019.2
• 申請(qǐng)日: 2013-11-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103600177A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳樹(shù)君;張俊林;門(mén)廣強(qiáng);張亮;劉巖;劉松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K28/02
• 分類號(hào): B23K28/02;B23K10/02;B23K9/167;B23K9/095
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及是一種常規(guī)等離子電弧與穿透電弧相互耦合的焊接方法，屬于焊接方法領(lǐng)域，尤其涉及一種單電源VPPA-GTAW雙態(tài)電弧穿孔焊接方法。

背景技術(shù)

在現(xiàn)代加工制造業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，焊接技術(shù)已經(jīng)成為一種重要的加工工藝，其在汽車、船舶、海洋、航空航天等工業(yè)部門(mén)都得以廣泛應(yīng)用。如今，在多種不同形式的金屬連接中，電弧焊已經(jīng)接被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)各種高質(zhì)量的連接，這是因?yàn)樵谥T多應(yīng)用中，電弧焊接已經(jīng)被證明是較為經(jīng)濟(jì)的金屬連接方式。隨著社會(huì)各領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，提高焊接生產(chǎn)的生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化越來(lái)越受到行業(yè)重視，故焊接技術(shù)也在不斷推陳出新。

等離子弧、激光和電子束這三種高能量密度熱源的焊接由于能夠滿足新的特殊工藝要求，所以在當(dāng)今焊接領(lǐng)域中得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。“高能束焊接”技術(shù)的涌現(xiàn)就補(bǔ)充和發(fā)展了原來(lái)傳統(tǒng)焊接技術(shù)的空缺。焊接過(guò)程中出現(xiàn)小孔是高能密度焊接工藝的突出特征，大大增加了一次焊接中的熔深。其中穿孔型等離子弧焊接（Keyhole?plasma?arc?welding）因?yàn)槠錆撛诘膬?yōu)勢(shì)，在焊接結(jié)構(gòu)鋼、汽車、飛機(jī)、火箭、太空飛船和空間焊接等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景和最有效地加工技術(shù)之一。

變極性等離子弧焊（VPPAW）是一種針對(duì)鋁及其合金開(kāi)發(fā)的高效優(yōu)質(zhì)焊接工藝方法。由于焊接變形小，生產(chǎn)率高，氣孔夾渣等缺陷少，在國(guó)外被稱為“零缺陷”焊接方法。等離子弧是由等離子槍將陰、陽(yáng)兩極間的自由電弧經(jīng)機(jī)械壓縮、熱壓縮和電磁壓縮成為高溫、高電離度、高能量密度及高焰流速度的壓縮電弧。變極性弧焊電源不僅能調(diào)節(jié)正負(fù)半波的時(shí)間比例，還能調(diào)節(jié)方波交流頻率和正負(fù)半波電流幅值，規(guī)范參數(shù)調(diào)整范圍更寬，能最大限度滿足清除鋁合金表面氧化膜的要求，同時(shí)又能將鎢極燒損減少至最低。

同傳統(tǒng)鎢極氬弧焊相比，小孔型變極性等離子弧焊在工藝上具有許多突出的特點(diǎn)：（1）焊縫內(nèi)部缺陷少，在小孔型等離子弧焊接過(guò)程中，等離子弧及離子氣流穿過(guò)小孔起到一定的沖刷作用，本應(yīng)殘留在熔融金屬中生成氣孔的氣體由此排除出小孔，夾渣也同樣被沖刷掉；（2）焊后變形小，等離子弧穿透能力強(qiáng)、加熱集中、熔化區(qū)域小、小孔型焊接對(duì)被焊工件正、反面加熱均勻，減少了焊后被焊工件的撓曲變形；（3）焊縫機(jī)械性能有所提高，小孔型等離子弧焊焊縫與TIG焊焊縫相比，屈服強(qiáng)度相差不多，然而，在刮掉根部焊縫和焊縫余高的條件下，其屈服強(qiáng)度高于TIG焊焊縫，說(shuō)明其在一定程度上焊縫機(jī)械性能優(yōu)良；（4）效率高、成本低，變極性等離子弧焊綜合了變極性TIG焊接和等離子弧焊的優(yōu)點(diǎn)，電流頻率、幅值及正負(fù)半波導(dǎo)通時(shí)間比例可根據(jù)工藝要求靈活獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而合理分配電弧能量，并能實(shí)現(xiàn)鋁合金中厚板單面一次焊雙面成形。

隨著現(xiàn)代工業(yè)向著大型化方向發(fā)展，中厚板、超厚板焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用愈加廣泛，傳統(tǒng)焊接方法已不能滿足此類焊接的需求。對(duì)于艦艇、壓力容器、鍋爐、鐵軌等大厚壁金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造和大型工程建造現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，大量厚板接頭的傳統(tǒng)自動(dòng)焊接方法普遍采用大坡口多層多道MAG/MIG焊或埋弧焊，隨著焊接結(jié)構(gòu)厚度的不斷增加，這些方法已經(jīng)表現(xiàn)出了較大的局限性及不適用性。最突出的表現(xiàn)就是由于厚板坡口面積的急劇加大導(dǎo)致了焊接工作量成倍增加，生產(chǎn)效率低，消耗焊材多，焊接成本高，并且熱輸入量大、熱影響區(qū)寬、晶粒粗大，焊接接頭力學(xué)性能低，容易產(chǎn)生裂紋等焊接缺陷。傳統(tǒng)變極性等離子弧焊在中厚板鋁合金焊接過(guò)程中，由于被焊工件厚度的原因，對(duì)電弧的穿透能力要求較高，小孔失穩(wěn)趨勢(shì)增加，在熱輸入與小孔的穩(wěn)定成形之間尋求一個(gè)較好的平衡是極為困難的，且當(dāng)被焊工件厚度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，等離子弧將無(wú)法穿透被焊工件。

單電源雙面電弧焊接工藝(Double-sided?arc?welding，縮寫(xiě)為DSAW)是近些年才出現(xiàn)的一種焊接工藝，它由美國(guó)Kentucky大學(xué)的張?jiān)Ｃ鹘淌谑紫忍岢?。在這種工藝中，焊接電流完全通過(guò)被焊接區(qū)域，電流不分散，因此其加熱效率大大提高。這樣不僅在同樣焊接電流條件下電弧熔透能力大大提高，而且焊接熱影響區(qū)變窄，焊接質(zhì)量得到提高，可實(shí)現(xiàn)中等厚度板不開(kāi)坡口直接對(duì)接焊。另外，該工藝可以組合多種不同的焊接方法，例如PA-GTA、GTA-GTA、GTA-GMA等組合方式。因此，如何增加等離子弧在板厚方向上的穿透能力并保證焊接小孔的穩(wěn)定，成為解決中厚板鋁合金穿孔焊接高效化、高質(zhì)化及經(jīng)濟(jì)化問(wèn)題的關(guān)鍵。