第七章 VPPAW與電渣焊

1、 與常規(guī)TIG焊相比，PAW具有更優(yōu)秀的工藝品質(zhì)，如對于中厚度（3-20mm）金屬材料，在不填絲、不開坡口、不需背面強(qiáng)制成形保護(hù)條件下，可以實(shí)現(xiàn)單面一次焊雙面良好成形，極大地提高了焊接生產(chǎn)率，尤其適用于密閉容器、小直徑管焊縫等背面難于施焊的結(jié)構(gòu)件。 等離子弧焊工藝方法主要有兩種，熔入法和小孔法。當(dāng)被焊工件較薄時，往往采用熔入法進(jìn)行施焊；當(dāng)被焊工件較厚時，常采用小孔法進(jìn)行焊接。采用小孔法進(jìn)行焊接時，等離子弧將工件完全熔透，并在等離子流力的作用下形成一個穿透工件的小孔，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(shí)現(xiàn)了單

2、面焊雙面成形。 E lectrodeplasm a gasShielding gasC onstricting nozzlePlenum cham berO uter gas nozzleWorkpieceK eyholeM olten m etalTravelling direction缺點(diǎn)：焊接規(guī)范和工藝參數(shù)匹 配范圍窄，焊縫成形穩(wěn) 定性差。交流焊鋁鎢極 燒損嚴(yán)重，熱效率低。PAW簡單回顧Initial CurrentDCEP CurrentI (A)Time (ms)StraightPolarityReversePolarityDCEN Current019ms4msLIBURDI LT

3、P400-VP型VPPA焊接電源，變極性頻率0200Hz，調(diào)制頻率01kHz，電流占空比 595%。計(jì)算機(jī)通過隔離型HY-6050板（D/A卡）對變極性焊接電源提供0-10V的電壓可設(shè)定正極性電流。DCEP電流按DCEN電流的百分比設(shè)定輸出。 變極性焊接電源 變極性焊接電流輸出波形 變極性： 變極性電源就是正負(fù)半波時間和正負(fù)半波電流幅值可以任意調(diào)節(jié)的一種特殊的方波電源負(fù)半波時間增大，陰極清理寬度顯著增加，當(dāng)tn：tp=50：6時，焊縫一側(cè)的富余清理寬度大于3mm，已經(jīng)可以達(dá)到均勻的、合理的陰極清理效果。負(fù)半波時間增大，熔寬緩慢增加，熔深緩慢下降。陰極清理寬度、熔深、熔寬隨陰極清理寬度、熔深、熔

4、寬隨Tp變化的關(guān)系變化的關(guān)系0102030405002468101214161820 measurement(mm)Tp(ms) clear width penetration molten bath widthVPTIG 變換不同的負(fù)半波時間Tp，持續(xù)焊接3min后鎢極燒損程度，隨負(fù)半波時間的增大，鎢極的燒損越來越嚴(yán)重。變極性變極性TIG焊試驗(yàn)研究焊試驗(yàn)研究 變換變換Tp試驗(yàn)后的鎢極燒損情況試驗(yàn)后的鎢極燒損情況（時間（時間3min）f) Tp=50msb) Tp=5msc) Tp=10msd) Tp=15mse) Tp=30msa) Tp=0msv 負(fù)半波電流幅值的影響變極性變極性TIG焊試

5、驗(yàn)研究焊試驗(yàn)研究 其他參數(shù)固定，隨著負(fù)半波電流幅值的增大，陰極清理區(qū)的寬度顯著增加，熔深、熔寬略有增加。但鎢極的燒損情況并不嚴(yán)重。 1.01.21.41.61.812345678910111213 measurement(mm)Ip/In clear width penetration molten bath width陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Ip變化的關(guān)系Ip=120A Ip=150A Ip=180A Ip=210A VPPA焊接是利用小孔效應(yīng)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的弧焊方法，用于焊接的轉(zhuǎn)移型等離子弧，其功率密度一般在5108-51010W/m2范圍，由于能量密度大、射流速度高，被歸入高能密度

6、焊接。 小孔效應(yīng)：小孔在等離子流的前方形成，隨后熔池中純凈的熔化金屬將小孔填滿并凝固。這種沖刷作用使工件完全焊透，排除了內(nèi)部缺陷；沖刷的另一附加作用是防止氣體從工件背面進(jìn)入焊縫。焊接時建立穩(wěn)定的“小孔效應(yīng)”是保證焊接穩(wěn)定性的重要因素。 鋁合金變極性等離子小孔焊在水平位置焊接，一次可焊接厚度極限為6mm，且焊接規(guī)范區(qū)間窄，過程不易控制。采用立向上焊接，改變了熔融金屬的受力狀態(tài)，克服了普通方法存在的問題，一次可焊最大厚度達(dá)25mm。VPPAW立向上焊，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷，因此被稱為“零缺陷焊接”。 焊焊接接參參數(shù)數(shù)焊接參數(shù)程序曲線（有收?。?1357911

7、1.252.53.755input voltage(V)gas flow(L/min)控制電壓和氣體流量 之間的標(biāo)定曲線 氣體流量控制器 美國BROOKS先進(jìn)的氣體流量控制器MODEL5850E。外部提供0-5V的電壓命令，實(shí)時控制離子氣流量，氣流平穩(wěn)且?guī)в羞^濾裝置，而且具備快速響應(yīng)的特點(diǎn)。 在土星系列火箭的貯箱以及航天飛機(jī)貯箱中，使用VPPA焊接2219鋁合金，焊縫經(jīng)100X射線檢測，未發(fā)現(xiàn)任何內(nèi)部缺陷，焊接質(zhì)量比GTAW多層焊明顯提高。在洛-馬公司的新一代貯箱(2195材料)中也采用了VPPA方法，設(shè)備由Hobart公司開發(fā)，在平焊位置焊接筒體縱縫和環(huán)縫。采用的焊槍鎢極不是內(nèi)縮，而是伸出一

8、部分，稱為SPAW(soft-plasma arc)。在國際空間站的焊接中，VPPA也成為首選的焊接方法。在Delta V火箭中，貯箱的環(huán)縫和封頭采用了VPPA焊接。 (直徑直徑28英尺，長度英尺，長度154英尺英尺) VPPAW應(yīng)用情況3mm厚厚度度試試板板焊焊接接結(jié)結(jié)果果焊道正面 焊道背面 平板堆焊試件 正面 背面 對接試件 6mm厚厚度度試試板板焊焊接接結(jié)結(jié)果果平板對焊試件（LD10） 焊道正面 焊道正面 焊道背面 焊道背面 平板堆焊試件（LD10） 試板焊接-3mm厚度厚度2219試板試板 焊焊縫縫X光光檢檢查查a) 平板堆焊焊道X光照片b) 對縫焊接焊縫X光照片試板焊接-接頭強(qiáng)度測試

9、機(jī)機(jī)械械性性能能拉伸試件形貌 1) 去除了焊縫的加強(qiáng)高后所做拉伸：去除了焊縫的加強(qiáng)高后所做拉伸：將試板加工成5mm厚，寬15mm的拉伸試件，即去除了焊縫的加強(qiáng)高后做常溫拉伸。 試板焊接-接頭強(qiáng)度測試2) 未去除焊縫的加強(qiáng)高所未去除焊縫的加強(qiáng)高所做拉伸：做拉伸：焊后的試板進(jìn)行X光檢查后做常溫拉伸。 常溫狀態(tài)下焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)分別為65.4%和66.1%(母材應(yīng)力為430MPa)，接頭延伸率為4%和5.3%。主要結(jié)論 視覺傳感系統(tǒng) 正面CCD 攝像機(jī)焊槍工件等離子弧穿孔熔池反面CCD攝像機(jī)圖像卡正反面同步傳感穿孔熔池 攝象機(jī)/圖象卡/窄帶濾光片 填絲等離子焊接穿孔熔池圖象 a) 穿孔熔池初始建立

10、時b) 正常焊接過程中c) 切割開始時d) 切割過程中從熔池圖象上可以比較清晰地看到熔池的變化過程。如穿孔熔池的建立、正常焊接狀態(tài)、切割的產(chǎn)生。正常焊接時，圖象上可視小孔上方熔池表面存在一個灰度明顯增高的區(qū)域，定義為高亮區(qū)。隨著焊接電流的增加可視小孔增大，高亮區(qū)減小?？梢曅】自龃蟮揭欢ǔ潭葧r，高亮區(qū)消失，焊接過程變成切割。 正反面穿孔熔池圖象特征參數(shù) 對穿孔熔池圖象進(jìn)行處理，獲得可描述穿孔熔池狀態(tài)的特征參數(shù)，用來進(jìn)行焊縫穩(wěn)定成形的控制，也就是通過控制這些參數(shù)的穩(wěn)定來控制焊縫成形的穩(wěn)定。 WfbmaxWkmaxWkhmax a）穿孔熔池圖象 b）特征參數(shù)示意圖穿孔熔池圖象及特征參數(shù)示意圖wbh

11、maxWbbmaxWbhmax正面反面 穿孔熔池圖象處理 去噪聲濾波去噪聲濾波 對比度增強(qiáng)對比度增強(qiáng) 邊緣檢測邊緣檢測 二值化二值化 邊緣點(diǎn)擬合邊緣點(diǎn)擬合 隨后研究了穿孔熔池小孔直徑、可視小孔面積、可視小孔隨后研究了穿孔熔池小孔直徑、可視小孔面積、可視小孔寬度、可視小孔高度隨焊接時間的變化規(guī)律及關(guān)系。寬度、可視小孔高度隨焊接時間的變化規(guī)律及關(guān)系。 可視小孔幾何信息與小孔直徑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 模型的輸入?yún)?shù)：可視小孔面積、寬度、高度、小孔邊緣與熔池前沿的兩個交模型的輸入?yún)?shù)：可視小孔面積、寬度、高度、小孔邊緣與熔池前沿的兩個交點(diǎn)坐標(biāo)、小孔邊緣對稱中心線的交點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)、小孔邊緣對稱中心線的交點(diǎn)坐標(biāo)

12、模型的輸出參數(shù)：可視小孔直徑模型的輸出參數(shù)：可視小孔直徑輸出層xCenterHeight82134567916131514121110AreaWidthxLeftyLeftxRightyRightyCenter輸入層可視小孔直徑隱含層網(wǎng)絡(luò)誤差驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)誤差驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：對小孔實(shí)測寬度和對小孔實(shí)測寬度和BP網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果：結(jié)果：根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立的穿孔熔池正面圖象可視小孔幾何信息與根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立的穿孔熔池正面圖象可視小孔幾何信息與可視小孔直徑之間的映射模型，能夠準(zhǔn)確地反映小孔直徑的變化，使利可視小孔直徑之間的映射模型，能夠準(zhǔn)確地反映小孔直徑的變化，

13、使利用小孔直徑作為焊縫穩(wěn)定成形的特征信號從而實(shí)現(xiàn)鋁合金用小孔直徑作為焊縫穩(wěn)定成形的特征信號從而實(shí)現(xiàn)鋁合金VPPA焊縫穩(wěn)定焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制成為可能。成形閉環(huán)控制成為可能。 3456780306090120150焊接時間 (s)可視小孔直徑 (mm)實(shí)際值模型輸出值變焊接電流堆焊小孔直徑變焊接電流堆焊小孔直徑尺寸與網(wǎng)絡(luò)模型輸出比較尺寸與網(wǎng)絡(luò)模型輸出比較 送絲速度是鋁合金VPPAW焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制的一個非常重要的控制變量。因此，首先利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立填絲平板堆焊和對接焊條件下焊縫穩(wěn)定成形時送絲速度與穿孔熔池可視小孔直徑之間的對應(yīng)關(guān)系模型，然后，以這種對應(yīng)關(guān)系模型作為調(diào)節(jié)器的控制策略來實(shí)

14、時調(diào)整送絲速度從而實(shí)現(xiàn)變散熱條件焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)焊接電流控制策略，配合送絲速度調(diào)節(jié)進(jìn)行變散熱條件焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制研究。 圖象法VPPAW焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制 FuzzyControllerVPPA WeldProcessLSensor SystemWP+ Keyhole BackModelWfareaWfwidthWfheightWbareaR + ededtR+ededtR+ededtWbwidthWbheight+ + +z-1 Delay z-1 Delayz-1 Delayz-1 DelayWire SpeedWeld SpeedWeld CurrentPla

15、sma GasMaxMaxMaxMinVPPA焊接過程多變量模糊控制系統(tǒng)焊接過程多變量模糊控制系統(tǒng) 多變量模糊控制器設(shè)計(jì)變散熱試件照片變散熱試件照片正面正面背面背面變散熱條件下多變量模糊控制變間隙條件下多變量模糊控制變間隙試件照片變間隙試件照片正面正面背面背面變錯邊條件下多變量模糊控制變錯邊試件照片變錯邊試件照片正面正面背面背面1、采用特定中心波長窄帶濾光片、中性減光片和普通、采用特定中心波長窄帶濾光片、中性減光片和普通CCD攝象機(jī)構(gòu)成的攝象機(jī)構(gòu)成的窄帶復(fù)合濾光視覺傳感系統(tǒng)，可以從鋁合金工件正反面提取到清晰的穿孔窄帶復(fù)合濾光視覺傳感系統(tǒng)，可以從鋁合金工件正反面提取到清晰的穿孔熔池圖象。熔池圖象

16、。2、設(shè)計(jì)的可視小孔邊緣提取方法可以準(zhǔn)確檢測可視小孔的多種幾何信息。、設(shè)計(jì)的可視小孔邊緣提取方法可以準(zhǔn)確檢測可視小孔的多種幾何信息。圖象獲取和處理所需時間控制在圖象獲取和處理所需時間控制在360ms以內(nèi)，能夠滿足焊縫成形閉環(huán)實(shí)時以內(nèi)，能夠滿足焊縫成形閉環(huán)實(shí)時控制對圖象處理速度的要求。控制對圖象處理速度的要求。3、穿孔熔池小孔寬度、高度和面積能夠良好地反映穿孔熔池的行為，能、穿孔熔池小孔寬度、高度和面積能夠良好地反映穿孔熔池的行為，能夠區(qū)分穩(wěn)定焊接和焊縫切割過程；從整體趨勢上來看可視小孔面積、寬度、夠區(qū)分穩(wěn)定焊接和焊縫切割過程；從整體趨勢上來看可視小孔面積、寬度、高度等幾何尺寸都能較好地反映小孔

17、的變化趨勢。高度等幾何尺寸都能較好地反映小孔的變化趨勢。4、利用所建、利用所建BP網(wǎng)絡(luò)模型能夠根據(jù)可視小孔幾何信息準(zhǔn)確提取出穿孔熔池網(wǎng)絡(luò)模型能夠根據(jù)可視小孔幾何信息準(zhǔn)確提取出穿孔熔池的小孔直徑尺寸，堆焊和對接焊時網(wǎng)絡(luò)模型誤差分別為的小孔直徑尺寸，堆焊和對接焊時網(wǎng)絡(luò)模型誤差分別為6.51%和和6.64%。主要結(jié)論 5、建立控制器模型，分別以送絲速度、送絲速度與焊接電流聯(lián)合作控制、建立控制器模型，分別以送絲速度、送絲速度與焊接電流聯(lián)合作控制變量，能有效防止焊縫發(fā)生切割，獲得穩(wěn)定的焊縫成形；送絲速度和焊接變量，能有效防止焊縫發(fā)生切割，獲得穩(wěn)定的焊縫成形；送絲速度和焊接電流聯(lián)合控制時焊縫成形穩(wěn)定性更高

18、，小孔直徑的最大變化為電流聯(lián)合控制時焊縫成形穩(wěn)定性更高，小孔直徑的最大變化為1.8mm。6、以目前達(dá)到的研究結(jié)果尚不能完全滿足可靠控制的要求。由于鋁合金、以目前達(dá)到的研究結(jié)果尚不能完全滿足可靠控制的要求。由于鋁合金VPPA立焊難度大，涉及的影響因素多，尚有許多工作需要繼續(xù)深入去做，立焊難度大，涉及的影響因素多，尚有許多工作需要繼續(xù)深入去做，如間隙、錯邊等的影響，以及設(shè)備的穩(wěn)定性等等。如間隙、錯邊等的影響，以及設(shè)備的穩(wěn)定性等等。7、要實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定的焊接，最基本的是有先進(jìn)的可靠的裝備、再有好、要實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定的焊接，最基本的是有先進(jìn)的可靠的裝備、再有好的工藝規(guī)范，然后再在控制上提高。的工藝規(guī)范，

19、然后再在控制上提高。v 正負(fù)半波時間的影響 ：變極性電源就是正負(fù)半波時間和正負(fù)半波電流幅值可以任意調(diào)節(jié)的一種特殊的方波電源，與TIG結(jié)合起來即為變極性TIG焊接工藝，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。陰極清理去除鋁合金表面氧化膜發(fā)生在負(fù)半波，此時正離子撞擊氧化膜使之破碎、氣化，隨著半波電流幅值持續(xù)增大，清理作用增強(qiáng)，清理區(qū)寬度增大。在變極性電源中，通過減少負(fù)半波時間、增大負(fù)半波電流幅值能獲得合理的陰極清理區(qū)寬度，而整個焊接過程更接近直流鎢極接負(fù)方法，這比常規(guī)的幅值對稱方波電源性能更優(yōu)異。 研究電流正負(fù)半波時間對氧化膜清理、母材熔化情況及鎢極燒損情況得影響，以求在保證獲得足夠的陰極清理區(qū)條件下，最大限度地減少

20、鎢極為正的時間，進(jìn)而減小對鎢極的燒損。 3.5mm厚的LD10鋁合金，表面堆焊，焊接速度為20cm/min，正負(fù)半波電流幅值均為120A，正半波時間設(shè)置為50ms，變換負(fù)半波時間。 變極性TIG焊試驗(yàn)研究 負(fù)半波時間增大，陰極清理寬度顯著增加，當(dāng)tn：tp=50：6時，焊縫一側(cè)的富余清理寬度大于3mm，即可達(dá)到均勻的陰極清理。負(fù)半波時間增大，熔寬緩慢增加，熔深緩慢下降。變極性變極性TIG焊試驗(yàn)研究焊試驗(yàn)研究 陰極清理寬度、熔深、熔寬隨陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Tp變化的關(guān)系變化的關(guān)系0102030405002468101214161820 measurement(mm)Tp(ms) clear

21、 width penetration molten bath width 變換不同的負(fù)半波時間Tp，持續(xù)焊接3min后鎢極燒損程度，隨負(fù)半波時間的增大，鎢極的燒損越來越嚴(yán)重。變極性變極性TIG焊試驗(yàn)研究焊試驗(yàn)研究 變換變換Tp試驗(yàn)后的鎢極燒損情況試驗(yàn)后的鎢極燒損情況（時間（時間3min）f) Tp=50msb) Tp=5msc) Tp=10msd) Tp=15mse) Tp=30msa) Tp=0msv 負(fù)半波電流幅值的影響變極性變極性TIG焊試驗(yàn)研究焊試驗(yàn)研究 其他參數(shù)固定，隨著負(fù)半波電流幅值的增大，陰極清理區(qū)的寬度顯著增加，熔深、熔寬略有增加。但鎢極的燒損情況并不嚴(yán)重。 1.01.21.41.61.812345678910111213 measurement(mm)Ip/In clear width penetration molten bath width陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Ip變化的關(guān)系Ip=120A Ip=150A Ip=180A Ip=210A 變極性變極性TIG焊試驗(yàn)研究焊試驗(yàn)研究 v 變極性頻率：對陰極清理、熔深、熔寬沒有明顯影響。v 焊縫成形：a）焊縫正面 b）焊縫