气流波形调制变极性等离子焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及是一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，属于焊接方法领域。
【背景技术】
[0002]自1802年瓦西里.彼得罗夫发现了持续放电现象并提出电弧在材料加工中的应用潜力之后，随着弧焊电源及焊接材料的发展，大批不同的电弧焊接工艺相继涌现，如埋弧焊、钨极氩弧焊、气体保护金属极电弧焊、等离子弧焊等，并深入到汽车、机械制造、军事、航天及民用日常生活等各个领域，发挥着越来越重要的作用。随着科技的发展，近年来激光焊、搅拌摩擦焊和磁脉冲焊等新型焊接方法在焊接领域获得了极大的关注，对传统弧焊领域造成较大的冲击，但是迄今为止，电弧焊仍是工业生产中应用最为广泛的材料加工方法，在机械工程成形制造领域发挥着不可替代的作用。
[0003]作为自由电弧(GTA或TIG)的进阶技术，等离子弧是一种特殊形式的电弧(PA)，它借助于等离子弧焊枪的喷嘴对气体保护的钨极电弧进行拘束，使弧柱横截面受到限制，弧柱的温度得到提高，气体介质的电离更加充分，电弧内粒子流速也显著增大，在能量密度和指向性上和自由电弧相比都有明显的改善，因此和激光、电子束并称三大高能束技术。穿孔等离子弧焊的能量密度处于激光焊和自由电弧焊之间，兼具自由电弧与高能束的优点。与激光、电子束相比，等离子弧设备在造价、维护费用、工作环境和装配需求及焊枪运动灵活性等方面具有明显优势。与常规自由电弧相比，等离子弧以其更优秀的电弧品质，在焊接、切割和表面处理方面均表现出强大的生命力。在焊接领域，变极性等离子弧(VPPA)穿孔焊接技术以其焊接变形小、焊后无缺陷、单面焊接双面一次成形等优势，成为航空航天领域首选的焊接方式。最新资料检索表明，即使国内外在激光、电子束等方面投入了大量的研宄资源，但是以变极性等离子弧为代表的电弧加工工艺仍然是美国国家航空航天局(NASA)和欧洲航天局(ESA)在铝合金焊接时的最佳选择。
[0004]目前变极性等离子弧焊接技术主要存在电流变极性过零时失稳以及正反极性交替时对熔池的冲击造成熔池失稳的问题，通过工艺参数的匹配虽然在典型材料和特定焊接工况下能够实现较好的焊接，但在大电流强压缩条件下易出现双弧或断弧，且工艺窗口大幅缩小、裕度小、工艺参数匹配复杂、工艺参数分散，以及易出现切割和未焊合等问题，限制了变极性等离子弧焊接的进一步应用。现有研宄发现，在交流电弧过零瞬时，弧柱两端受到钨极和工件的强烈冷却，如果没有能量输入，电子可以在很短时间内(10-5秒)丧失能量。这时电子将与阳离子中和而产生消电离作用而使带电粒子减少，电弧熄灭。但是，如果满足两个条件:(I)电流过零速度足够快，(2)电弧在过零时温度足够高，使电子能量很高同时电子的数量也很多，则电子不容易与阳离子发生消电离而减少复合的机会，电弧不容易熄灭。此外，在变极性电弧的正极性期间钨极作为热阴极工作，由于钨极具有强电子发射能力，电弧稳定并集中。钨极作为阴极工作期间发射电子而释放逸出功，从而钨极得到冷却，能够保持良好的尖部形状。变极性电弧反极性期间工件作为阴极工作。由于工件为冷阴极，热电子发射能力差，因此使阴极斑点跳动，电弧较发散。反极性期间钨极接收电子并吸收逸出功，发热烧损比正极性期间严重。因此，反极性阶段时电弧发散和电弧力下降是影响熔池稳定的主要因素。基于上述认识，本发明针对上述待解决的问题展开研宄，提出一种气流波形调制变极性等离子弧焊接方法，根据单个电流波形周期中不同阶段电流变化时的电弧特性对焊接过程中的离子气流量加以控制，从而提高变极性等离子弧焊接过程中的电弧稳定性和熔池稳定性，实现焊接过程中离子气流量控制从参数的粗糙调节到精确控制。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种可在变极性等离子弧焊接过程中，针对包括正极性阶段、正极性过零阶段、负极性阶段和负极性过零阶段在内的不同阶段，通过对离子气流量的调整控制，以满足一个电流周期内不同阶段中电弧稳定和熔池稳定对离子气流量的不同需求，尤其是大电流厚板焊接时，通过气流波形控制进一步提高变极性等离子穿孔及焊接过程中的稳定性。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种气流波形调制变极性等离子焊接装置及方法。
[0006]一种气流波形调制变极性等离子焊接装置，其特征在于:包括等离子弧焊枪、阀门组、焊接电源及控制系统等设备构成完整的焊接系统；两个离子气控制执行单元设置在等离子弧焊枪的离子气路上；通过气流波形控制器，实现焊接过程中离子气流量的波形输出。
[0007]一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:该方法是按照如下步骤进行:1)由变极性等离子焊接电源及控制系统(I)输出焊接过程中的变极性电流波形；2)气流波形控制器(12)检测由变极性等离子弧焊接电源及控制系统(I)输出的变极性电流波形，获得变极性等离子弧焊接过程中包括正极性阶段^t2、正极性过零段t2t5、负极性阶段t5t7、负极性过零段t7t1(l在内的不同阶段特征时间点，作为气流波形控制器(12)进行离子气流波形控制的依据；3)由气流波形控制器(12)根据获得的变极性电流在不同阶段的特征时间点产生气体流量控制信号供给安装在等离子弧焊枪(3)内部离子气通路中的离子气控制执行单元(13)，实现变极性等离子弧焊接过程中包括正极性阶段^t2、正极性过零段t2t5、负极性阶段t5t7、负极性过零段t7t1(l在内的不同阶段的离子气流量控制。
[0008]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:变极性等离子弧焊接电源及控制系统(I)能够模拟输出与实际焊接过程一致的电流波形或等比例的缩小的数字信号供气流波形控制器(12)检测。
[0009]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:气流波形控制器
(12)具有显示离子气流量波形、当前离子气流量和预设离子气流量的功能，能够输出信号供给安装在等离子焊枪(3)上的离子气控制执行单元(13)，来实现对变极性等离子弧焊接过程中包括正极性阶段^t2、正极性过零段t2t5、负极性阶段t5t7、负极性过零段t7t1(l在内的不同阶段在内不同阶段的离子气流量控制。
[0010]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:在等离子焊枪
(3)上并联安装两组离子气控制执行单元(13)，每组离子气控制执行单元分别由串联安装的气体质量流量控制器(11)和高频电磁阀(14)组成。
[0011]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:两个气体质量流量控制器分别将各自气体通路的离子气流量设置为0.5?10L/min，并在焊接过程中保持不变。
[0012]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:在变极性电流波形的单个周期中选取时间节点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并保证14t6段时间大于二分之一的15t7段时间；t9超前于t 1(!位置0.1?2ms。
[0013]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:步骤(3)中在^t1段通过气流波形控制器(12)控制一组离子气控制执行单元将一条气路开通；在^〖4段通过气流波形控制器(12)控制一组离子气控制执行单元将两条气路关闭；在〖4〖6段通过气流波形控制器(12)控制一组离子气控制执行单元将两条气路开通；在〖#9段通过气流波形控制器(12)控制一组离子气控制执行单元将两条气路关闭。
[0014]所述的一种气流波形调制变极性等离子焊接方法，其特征在于:在变极性等离子弧焊接过程中，正常焊接阶段的每个电流周期均执行前一条所述的控制过程，直至收弧结束焊接过程。
[0015]进一步，所述气体质量流量控制器(13)的气体流量调节范围为0-20L/min ;所述高频电磁阀(14)的响应时间为0.01-2ms，切换频率为50-1000HZ。
[0016]进一步，所述离子气为惰性气体。
[0017]本发明的优点:本发明针对变极性等离子弧焊接过程中变极性周期内电流在正极性阶段、正极性过零阶段、负极性阶段、负极性过零阶段中电弧的不同特性，具体实施如下离子气流量控制:在正极性阶段，开通一路离子气的供给维持等离子弧焊接的正常需求；在正极性过零阶段，通过关断两个离子气通路停止离子气的供给，减少电弧过零时离子气对电弧区域的冲击从而维持等离子弧的稳定；在负极性阶段开通两路离子气的供给，增大负极性阶段的离子气流量，从而加强对钨极的冷却、等离子弧的压缩和力输出，维持焊接过程中熔池的稳定；在负极性过零阶段同样关断两个离子气通路来维持等离子弧过零的稳定。通过对离子气流量的波形调制，将有助于进一步提高变极性等离子焊接过程的稳定性，并有望进