[发明专利]一种单电源VPPA-GTAW双态电弧穿孔焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及是一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。

背景技术

在现代加工制造业和工业生产过程中，焊接技术已经成为一种重要的加工工艺，其在汽车、船舶、海洋、航空航天等工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工艺要求，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工艺的突出特征，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 arc welding）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）是一种针对铝及其合金开发的高效优质焊接工艺方法。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，规范参数调整范围更宽，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减少至最低。

同传统钨极氩弧焊相比，小孔型变极性等离子弧焊在工艺上具有许多突出的特点：（1）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，夹渣也同样被冲刷掉；（2）焊后变形小，等离子弧穿透能力强、加热集中、熔化区域小、小孔型焊接对被焊工件正、反面加热均匀，减少了焊后被焊工件的挠曲变形；（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，屈服强度相差不多，然而，在刮掉根部焊缝和焊缝余高的条件下，其屈服强度高于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工艺要求灵活独立调节，从而合理分配电弧能量，并能实现铝合金中厚板单面一次焊双面成形。

随着现代工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、压力容器、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口多层多道MAG/MIG焊或埋弧焊，随着焊接结构厚度的不断增加，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口面积的急剧加大导致了焊接工作量成倍增加，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，由于被焊工件厚度的原因，对电弧的穿透能力要求较高，小孔失稳趋势增加，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，且当被焊工件厚度达到一定数值时，等离子弧将无法穿透被焊工件。

单电源双面电弧焊接工艺(Double-sided arc welding，缩写为DSAW)是近些年才出现的一种焊接工艺，它由美国Kentucky大学的张裕明教授首先提出。在这种工艺中，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口直接对接焊。另外，该工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，如何增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。