氣流波形調制變極性等離子焊接方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及是一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，屬于焊接方法領域。
【背景技術】
[0002]自1802年瓦西里.彼得羅夫發(fā)現(xiàn)了持續(xù)放電現(xiàn)象并提出電弧在材料加工中的應用潛力之后，隨著弧焊電源及焊接材料的發(fā)展，大批不同的電弧焊接工藝相繼涌現(xiàn)，如埋弧焊、鎢極氬弧焊、氣體保護金屬極電弧焊、等離子弧焊等，并深入到汽車、機械制造、軍事、航天及民用日常生活等各個領域，發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著科技的發(fā)展，近年來激光焊、攪拌摩擦焊和磁脈沖焊等新型焊接方法在焊接領域獲得了極大的關注，對傳統(tǒng)弧焊領域造成較大的沖擊，但是迄今為止，電弧焊仍是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的材料加工方法，在機械工程成形制造領域發(fā)揮著不可替代的作用。
[0003]作為自由電弧(GTA或TIG)的進階技術，等離子弧是一種特殊形式的電弧(PA)，它借助于等離子弧焊槍的噴嘴對氣體保護的鎢極電弧進行拘束，使弧柱橫截面受到限制，弧柱的溫度得到提高，氣體介質的電離更加充分，電弧內粒子流速也顯著增大，在能量密度和指向性上和自由電弧相比都有明顯的改善，因此和激光、電子束并稱三大高能束技術。穿孔等離子弧焊的能量密度處于激光焊和自由電弧焊之間，兼具自由電弧與高能束的優(yōu)點。與激光、電子束相比，等離子弧設備在造價、維護費用、工作環(huán)境和裝配需求及焊槍運動靈活性等方面具有明顯優(yōu)勢。與常規(guī)自由電弧相比，等離子弧以其更優(yōu)秀的電弧品質，在焊接、切割和表面處理方面均表現(xiàn)出強大的生命力。在焊接領域，變極性等離子弧(VPPA)穿孔焊接技術以其焊接變形小、焊后無缺陷、單面焊接雙面一次成形等優(yōu)勢，成為航空航天領域首選的焊接方式。最新資料檢索表明，即使國內外在激光、電子束等方面投入了大量的研宄資源，但是以變極性等離子弧為代表的電弧加工工藝仍然是美國國家航空航天局(NASA)和歐洲航天局(ESA)在鋁合金焊接時的最佳選擇。
[0004]目前變極性等離子弧焊接技術主要存在電流變極性過零時失穩(wěn)以及正反極性交替時對熔池的沖擊造成熔池失穩(wěn)的問題，通過工藝參數(shù)的匹配雖然在典型材料和特定焊接工況下能夠實現(xiàn)較好的焊接，但在大電流強壓縮條件下易出現(xiàn)雙弧或斷弧，且工藝窗口大幅縮小、裕度小、工藝參數(shù)匹配復雜、工藝參數(shù)分散，以及易出現(xiàn)切割和未焊合等問題，限制了變極性等離子弧焊接的進一步應用?，F(xiàn)有研宄發(fā)現(xiàn)，在交流電弧過零瞬時，弧柱兩端受到鎢極和工件的強烈冷卻，如果沒有能量輸入，電子可以在很短時間內(10-5秒)喪失能量。這時電子將與陽離子中和而產(chǎn)生消電離作用而使帶電粒子減少，電弧熄滅。但是，如果滿足兩個條件:(I)電流過零速度足夠快，(2)電弧在過零時溫度足夠高，使電子能量很高同時電子的數(shù)量也很多，則電子不容易與陽離子發(fā)生消電離而減少復合的機會，電弧不容易熄滅。此外，在變極性電弧的正極性期間鎢極作為熱陰極工作，由于鎢極具有強電子發(fā)射能力，電弧穩(wěn)定并集中。鎢極作為陰極工作期間發(fā)射電子而釋放逸出功，從而鎢極得到冷卻，能夠保持良好的尖部形狀。變極性電弧反極性期間工件作為陰極工作。由于工件為冷陰極，熱電子發(fā)射能力差，因此使陰極斑點跳動，電弧較發(fā)散。反極性期間鎢極接收電子并吸收逸出功，發(fā)熱燒損比正極性期間嚴重。因此，反極性階段時電弧發(fā)散和電弧力下降是影響熔池穩(wěn)定的主要因素?；谏鲜稣J識，本發(fā)明針對上述待解決的問題展開研宄，提出一種氣流波形調制變極性等離子弧焊接方法，根據(jù)單個電流波形周期中不同階段電流變化時的電弧特性對焊接過程中的離子氣流量加以控制，從而提高變極性等離子弧焊接過程中的電弧穩(wěn)定性和熔池穩(wěn)定性，實現(xiàn)焊接過程中離子氣流量控制從參數(shù)的粗糙調節(jié)到精確控制。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種可在變極性等離子弧焊接過程中，針對包括正極性階段、正極性過零階段、負極性階段和負極性過零階段在內的不同階段，通過對離子氣流量的調整控制，以滿足一個電流周期內不同階段中電弧穩(wěn)定和熔池穩(wěn)定對離子氣流量的不同需求，尤其是大電流厚板焊接時，通過氣流波形控制進一步提高變極性等離子穿孔及焊接過程中的穩(wěn)定性。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為一種氣流波形調制變極性等離子焊接裝置及方法。
[0006]一種氣流波形調制變極性等離子焊接裝置，其特征在于:包括等離子弧焊槍、閥門組、焊接電源及控制系統(tǒng)等設備構成完整的焊接系統(tǒng)；兩個離子氣控制執(zhí)行單元設置在等離子弧焊槍的離子氣路上；通過氣流波形控制器，實現(xiàn)焊接過程中離子氣流量的波形輸出。
[0007]一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:該方法是按照如下步驟進行:1)由變極性等離子焊接電源及控制系統(tǒng)(I)輸出焊接過程中的變極性電流波形；2)氣流波形控制器(12)檢測由變極性等離子弧焊接電源及控制系統(tǒng)(I)輸出的變極性電流波形，獲得變極性等離子弧焊接過程中包括正極性階段^t2、正極性過零段t2t5、負極性階段t5t7、負極性過零段t7t1(l在內的不同階段特征時間點，作為氣流波形控制器(12)進行離子氣流波形控制的依據(jù)；3)由氣流波形控制器(12)根據(jù)獲得的變極性電流在不同階段的特征時間點產(chǎn)生氣體流量控制信號供給安裝在等離子弧焊槍(3)內部離子氣通路中的離子氣控制執(zhí)行單元(13)，實現(xiàn)變極性等離子弧焊接過程中包括正極性階段^t2、正極性過零段t2t5、負極性階段t5t7、負極性過零段t7t1(l在內的不同階段的離子氣流量控制。
[0008]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:變極性等離子弧焊接電源及控制系統(tǒng)(I)能夠模擬輸出與實際焊接過程一致的電流波形或等比例的縮小的數(shù)字信號供氣流波形控制器(12)檢測。
[0009]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:氣流波形控制器
(12)具有顯示離子氣流量波形、當前離子氣流量和預設離子氣流量的功能，能夠輸出信號供給安裝在等離子焊槍(3)上的離子氣控制執(zhí)行單元(13)，來實現(xiàn)對變極性等離子弧焊接過程中包括正極性階段^t2、正極性過零段t2t5、負極性階段t5t7、負極性過零段t7t1(l在內的不同階段在內不同階段的離子氣流量控制。
[0010]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:在等離子焊槍
(3)上并聯(lián)安裝兩組離子氣控制執(zhí)行單元(13)，每組離子氣控制執(zhí)行單元分別由串聯(lián)安裝的氣體質量流量控制器(11)和高頻電磁閥(14)組成。
[0011]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:兩個氣體質量流量控制器分別將各自氣體通路的離子氣流量設置為0.5?10L/min，并在焊接過程中保持不變。
[0012]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:在變極性電流波形的單個周期中選取時間節(jié)點V t4、t6和19，其中h超前于12位置0.1?5ms ；t 4超前于t5位置0.1?2ms ；t 6超前于17位置0.1?2ms并保證14t6段時間大于二分之一的15t7段時間；t9超前于t 1(!位置0.1?2ms。
[0013]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:步驟(3)中在^t1段通過氣流波形控制器(12)控制一組離子氣控制執(zhí)行單元將一條氣路開通；在^〖4段通過氣流波形控制器(12)控制一組離子氣控制執(zhí)行單元將兩條氣路關閉；在〖4〖6段通過氣流波形控制器(12)控制一組離子氣控制執(zhí)行單元將兩條氣路開通；在〖#9段通過氣流波形控制器(12)控制一組離子氣控制執(zhí)行單元將兩條氣路關閉。
[0014]所述的一種氣流波形調制變極性等離子焊接方法，其特征在于:在變極性等離子弧焊接過程中，正常焊接階段的每個電流周期均執(zhí)行前一條所述的控制過程，直至收弧結束焊接過程。
[0015]進一步，所述氣體質量流量控制器(13)的氣體流量調節(jié)范圍為0-20L/min ;所述高頻電磁閥(14)的響應時間為0.01-2ms，切換頻率為50-1000HZ。
[0016]進一步，所述離子氣為惰性氣體。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明針對變極性等離子弧焊接過程中變極性周期內電流在正極性階段、正極性過零階段、負極性階段、負極性過零階段中電弧的不同特性，具體實施如下離子氣流量控制:在正極性階段，開通一路離子氣的供給維持等離子弧焊接的正常需求；在正極性過零階段，通過關斷兩個離子氣通路停止離子氣的供給，減少電弧過零時離子氣對電弧區(qū)域的沖擊從而維持等離子弧的穩(wěn)定；在負極性階段開通兩路離子氣的供給，增大負極性階段的離子氣流量，從而加強對鎢極的冷卻、等離子弧的壓縮和力輸出，維持焊接過程中熔池的穩(wěn)定；在負極性過零階段同樣關斷兩個離子氣通路來維持等離子弧過零的穩(wěn)定。通過對離子氣流量的波形調制，將有助于進一步提高變極性等離子焊接過程的穩(wěn)定性，并有望進