本发明专利技术涉及一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法，属于焊接技术领域；它通过焊接控制系统改变焊接电流回路，形成由常规等离子电弧与穿透电弧组成并不断变换的双态电弧；常规等离子电弧完成对等离子弧侧母材的热输入，并起到阴极雾化作用；穿透电弧贯穿工件，能量集中及加热效率增加的同时能够有效减少焊接变形；通过调节变极性等离子弧焊接参数即可实现双态电弧对被焊工件两侧母材热输入的分别调节和精确控制；该焊接方法在保证不改变现有变极性等离子焊接设备的情况下，能够显著增加焊接熔深，有效降低母材的热输入，提高中厚板焊接质量，实现高效优质焊接。
【技术实现步骤摘要】
—种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法
本专利技术涉及是ー种常规等离子电弧与穿透电弧相互耦合的焊接方法，属于焊接方法领域，尤其涉及一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法。
技术介绍
在现代加工制造业和エ业生产过程中，焊接技术已经成为ー种重要的加工エ艺，其在汽车、船舶、海洋、航空航天等エ业部门都得以广泛应用。如今，在多种不同形式的金属连接中，电弧焊已经接被广泛应用于生产各种高质量的连接，这是因为在诸多应用中，电弧焊接已经被证明是较为经济的金属连接方式。随着社会各领域的蓬勃发展，提高焊接生产的生产率、保证产品质量、实现焊接生产的自动化和智能化越来越受到行业重视，故焊接技术也在不断推陈出新。等离子弧、激光和电子束这三种高能量密度热源的焊接由于能够满足新的特殊エ艺要求，所以在当今焊接领域中得到了迅速的发展和应用。“高能束焊接”技术的涌现就补充和发展了原来传统焊接技术的空缺。焊接过程中出现小孔是高能密度焊接エ艺的突出特征，大大增加了一次焊接中的熔深。其中穿孔型等离子弧焊接(Keyhole plasma arcwelding)因为其潜在的优势，在焊接结构钢、汽车、飞机、火箭、太空飞船和空间焊接等领域应用广泛，成为21世纪最具发展前景和最有效地加工技术之一。变极性等离子弧焊(VPPAW)是ー种针对铝及其合金开发的高效优质焊接エ艺方法。由于焊接变形小，生产率高，气孔夹渣等缺陷少，在国外被称为“零缺陷”焊接方法。等离子弧是由等离子枪将阴、阳两极间的自由电弧经机械压缩、热压缩和电磁压缩成为高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的压缩电弧。变极性弧焊电源不仅能调节正负半波的时间比例，还能调节方波交流频率和正负半波电流幅值，规范參数调整范围更宽，能最大限度满足清除铝合金表面氧化膜的要求，同时又能将钨极烧损減少至最低。同传统钨极氩弧焊相比，小孔型变极性等离子弧焊在エ艺上具有许多突出的特点:(I)焊缝内部缺陷少，在小孔型等离子弧焊接过程中，等离子弧及离子气流穿过小孔起到一定的冲刷作用，本应残留在熔融金属中生成气孔的气体由此排除出小孔，夹渣也同样被冲刷棹；(2)焊后变形小，等离子弧穿透能力强、加热集中、熔化区域小、小孔型焊接对被焊エ件正、反面加热均匀，减少了焊后被焊エ件的挠曲变形；(3)焊缝机械性能有所提高，小孔型等离子弧焊焊缝与TIG焊焊缝相比，屈服強度相差不多，然而，在刮掉根部焊缝和焊缝余高的条件下，其屈服強度高于TIG焊焊缝，说明其在一定程度上焊缝机械性能优良；(4)效率高、成本低，变极性等离子弧焊综合了变极性TIG焊接和等离子弧焊的优点，电流频率、幅值及正负半波导通时间比例可根据エ艺要求灵活独立调节，从而合理分配电弧能量，井能实现铝合金中厚板单面一次焊双面成形。随着现代エ业向着大型化方向发展，中厚板、超厚板焊接结构的应用愈加广泛，传统焊接方法已不能满足此类焊接的需求。对于舰艇、压カ容器、锅炉、铁轨等大厚壁金属结构产品的制造和大型工程建造现场作业中，大量厚板接头的传统自动焊接方法普遍采用大坡ロ多层多道MAG/MIG焊或埋弧焊，随着焊接结构厚度的不断増加，这些方法已经表现出了较大的局限性及不适用性。最突出的表现就是由于厚板坡ロ面积的急剧加大导致了焊接工作量成倍増加，生产效率低，消耗焊材多，焊接成本高，并且热输入量大、热影响区宽、晶粒粗大，焊接接头力学性能低，容易产生裂纹等焊接缺陷。传统变极性等离子弧焊在中厚板铝合金焊接过程中，由于被焊エ件厚度的原因，对电弧的穿透能力要求较高，小孔失稳趋势増加，在热输入与小孔的稳定成形之间寻求一个较好的平衡是极为困难的，且当被焊エ件厚度达到一定数值时，等离子弧将无法穿透被焊エ件。单电源双面电弧焊接エ艺(Double-sided arc welding,缩写为DSAW)是近些年才出现的ー种焊接エ艺，它由美国Kentucky大学的张裕明教授首先提出。在这种エ艺中，焊接电流完全通过被焊接区域，电流不分散，因此其加热效率大大提高。这样不仅在同样焊接电流条件下电弧熔透能力大大提高，而且焊接热影响区变窄，焊接质量得到提高，可实现中等厚度板不开坡ロ直接对接焊。另外，该エ艺可以组合多种不同的焊接方法，例如PA-GTA、GTA-GTA、GTA-GMA等组合方式。因此，如何増加等离子弧在板厚方向上的穿透能力并保证焊接小孔的稳定，成为解决中厚板铝合金穿孔焊接高效化、高质化及经济化问题的关键。为解决上述问题，本专利技术提出一种单电源VPPA-GTAW(变极性等离子弧-钨极氩弧焊)双态电弧穿孔焊接方法，该方法在不改变现有焊接设备的情况下，形成兼备拘束等离子电弧与单电源穿孔电弧两者优势的双态电弧，显著提高等离子电弧穿透能力，实现被焊エ件两侧的热输入自由控制，达到被焊エ件氧化膜清理与增加熔深的完美结合，完成高效优质焊接。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了现有焊接方法的缺陷及不足，提供了一种单电源VPPA-GTAff双态电弧穿孔焊接方法。该方法操作简单，能够适应多种焊接环境，在不改变现有焊接设备情况下，形成兼备拘束等离子电弧与单电源穿孔电弧两者优势的双态电弧，显著提高等离子电弧穿透能力，实现被焊エ件两侧的热输入自由控制，达到被焊エ件氧化膜清理与增加熔深完美结合，能够实现高效、高速焊接。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为ー种单电源VPPA-G TAW双态电弧穿孔焊接方法，该单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置主要包括变极性等离子焊接电源及其控制系统、等离子焊枪、TIG焊枪、被焊エ件、半导体换向开关；等离子焊枪和TIG焊枪分别置于被焊エ件两侧合适位置处，要求两焊枪轴线垂直于被焊エ件，保持三者在同一条直线上，系统可根据焊接板厚适当调节焊枪參数以适应焊接要求；该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪必须的气路和水路接法都是使用常规接法；整个焊接系统包括两路独立电流通路:焊接电源一TIG焊枪一等离子焊枪ー焊接电源；焊接电源一等离子焊枪ー被焊エ件一焊接电源。该焊接方法包括以下步骤。S1准备工作:首先将被焊エ件准备就绪，在焊接较厚板时，被焊エ件要开取一定的坡ロ，但要求并不严格；之后将等离子焊枪、TIG焊枪、被焊エ件及送丝装置都连接到与焊接电源及控制系统组成的相应的回路当中，确保控制系统通过半导体换向开关，能够对以上两个焊接电流回路实现相应的接通与断开的互锁控制。S2起弧:通过焊接控制系统，使得焊接电源一 TIG焊枪一等离子焊枪ー焊接电源，这ー回路接通；而焊接电源一等离子焊枪ー被焊エ件ー焊接电源这一回路断开；在焊接起始阶段首先待等离子弧正常建立，然后采用接触起弧方式将TIG电弧提拉引燃，由此，两焊接电弧均稳定建立。S3待穿透电弧形成，进行回路切換。I为变极性等离子弧焊接电源的电流输出波形，I1为变极性等离子弧焊正半波(电极接负即DCEN)的电流输出波形，I2为变极性等离子弧焊负半波(电极接正即DCEP)的电流输出波形。待等离子焊枪与TIG焊枪间的焊接电弧稳定建立并穿透被焊エ件后，通过焊接控制系统，利用半导体换向开关切换焊接回路，使得DCEP段电流I2流向经由焊接电源一等离子焊枪ー被焊エ件一焊接电源这ー回路，另ー回路断开，这样电弧电流导电通道区被引至被焊エ件上；此时等离子电弧直接作用于被焊エ件，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种单电源VPPA?GTAW双态电弧穿孔焊接装置，其特征在于：该单电源VPPA?GTAW双态电弧穿孔焊接方法装置主要包括焊接电源及其控制系统（1）、等离子焊枪（2）、TIG焊枪（3）、被焊工件（4）和半导体换向开关（5）；等离子焊枪（2）和TIG焊枪（3）分别置于被焊工件（4）两侧合适位置处，要求两焊枪轴线垂直于被焊工件（4），保持三者在同一条直线上，系统可根据焊接板厚适当调节焊枪参数以适应焊接要求；该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪必须的气路和水路接法都是使用常规接法；整个焊接系统包括两路独立电流回路，焊接电源—TIG焊枪（3）—等离子焊枪（2）—焊接电源；焊接电源—等离子焊枪（2）—被焊工件（4）—焊接电源。
【技术特征摘要】
1.一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装置，其特征在于:该单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法装置主要包括焊接电源及其控制系统(I)、等离子焊枪(2)、TIG焊枪(3)、被焊エ件(4)和半导体换向开关(5);等离子焊枪(2)和TIG焊枪(3)分别置于被焊エ件(4)两侧合适位置处，要求两焊枪轴线垂直于被焊エ件(4)，保持三者在同一条直线上，系统可根据焊接板厚适当调节焊枪參数以适应焊接要求；该焊接方法有关电回路方面的连接方式，焊枪必须的气路和水路接法都是使用常规接法； 整个焊接系统包括两路独立电流回路，焊接电源一TIG焊枪(3) —等离子焊枪(2)—焊接电源；焊接电源一等离子焊枪(2) —被焊エ件(4) 一焊接电源。2.利用权利要求1的单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接装实现ー种单电源VPPA-GTAff双态电弧穿孔焊接方法，其特征在于:该焊接方法包括以下步骤，S1准备工作，首先将被焊エ件(4)准备就绪，在焊接较厚板时，被焊エ件要开取一定的坡ロ，但要求并不严格；之后将等离子焊枪(2)、TIG焊枪(3)、被焊エ件(4)及送丝装置都连接到与焊接电源及控制系统(I)组成的相应的回路当中，确保控制系统通过半导体换向开关(5)，能够对以上两个焊接电流回路实现相应的接通与断开的互锁控制； S2起弧，通过焊接控制系统，使得焊接电源ーTIG焊枪(3) —等离子焊枪(2) ー焊接电源，这ー回路接通；而焊接电源一等离子焊枪(2) —被焊エ件(4) 一焊接电源这ー回路断开；在焊接起始阶段首先待等离子弧正常建立，然后采用接触起弧方式将TIG电弧提拉引燃，由此，两焊接电弧均稳定建立； S3待穿透电弧形成，进行回路切換，I为变极性等离子弧焊接电源的电流输出波形，I1为变极性等离子弧焊正半波的电流输出波形，I2为变极性等离子弧焊负半波的电流输出波形...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈树君，张俊林，门广强，张亮，刘岩，刘松，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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