CN113953634A - 一种基于斑点簇定向移动控制和质量补偿的变极性等离子弧焊接气孔抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于斑点簇定向移动控制的变极性等离子弧焊接气孔抑制方法属于成形制造领域。装置分别由变极性等离子弧穿孔焊接系统和产生脉冲磁场装置组成，脉冲磁场控制正极性等离子弧焊接阶段工件表面阴极斑点位置，使阴极斑点聚集于穿孔焊接的小孔前端，在小孔达到该位置之前先行将工件表面的致密氧化膜清理，由于阴极斑点的电流密度大，根据电磁力作用原理，磁场作用下将阴极斑点集中于一处清除氧化膜，调整磁场方向使阴极斑点簇在穿孔熔池表面移动，利用斑点的热作用蒸发释放气泡。该作用模式不仅可以快速有效地清理氧化膜，减少焊缝气孔缺陷，还可以增加工件对电弧的能量吸收，提高能量利用率，可以在大型复杂结构或高合金材料的焊接中得到应用。

Description

一种基于斑点簇定向移动控制和质量补偿的变极性等离子弧 焊接气孔抑制方法

技术领域

本发明属于成形制造方法领域，尤其涉及一种基于阴极斑点簇定向控制的气孔缺陷抑制方法。

背景技术

国际能源危机的日益加剧以及环境保护政策的相继颁布，促使现代制造业向高效、低能耗及绿色无污染方向发展，装备轻量化是目前公认的可以有效降低能源消耗的重要途径，更大范围地推广以铝合金为代表的高性能轻合金材料势在必行。铝合金的推广应用离不开高效优质的加工工艺，焊接技术作为传统的金属材料加工技术在铝合金装备的制造生产中不可或缺，而随着结构大型化、复杂化的提升，单一传统焊接技术已无法满足制造需求。因此，基于传统焊接理论提出新型工艺方法是解决铝合金加工过程瓶颈问题行之有效的方案。

变极性等离子电弧(VPPA)高能量密度和主动清理氧化膜的特点，在铝合金焊接领域扮演着至关重要的角色，其独特的穿孔焊接技术成为铝合金高效焊接的优质方法。VPPA穿孔焊接柔性好、对操作环境要求低、工装依赖性低，在大型铝合金结构原位焊装方面具有绝对优势。随着铝合金材料不断更新、结构复杂程度逐渐升级，富镁合金和铝锂合金等高合金材料焊接成为发展趋势，焊缝形式也从简单的对缝与环缝等转变为空间曲线焊缝，这对铝合金VPPA穿孔焊接适应复杂工况提出了迫切要求。复杂甚至连续变化的环境变量以及变极性电弧周期性热力输出差异等多重时变因素的干扰，导致小孔稳定性急剧下降，极易产生匙孔型气孔。Mg、Li、Zn等元素的蒸发与杂质汽化，同样会不可避免地导致气泡产生。焊接工况变化的同时会使熔池内气泡运动路径发生改变，增加了气孔缺陷控制难度，传统VPPA焊接工艺已很难实现无缺陷的焊接。焊前清理、烘干、预热以及焊后补焊等抑制气孔缺陷的方法，不仅导致工序繁琐，降低生产效率，增加了制造成本，而且难以在复杂大型铝合金结构的焊接中应用。通过设置脉冲电流、机械振动或旋转电弧对熔池产生振动或搅拌作用，可以促使气泡逸出。但附加的干扰因素会导致焊缝成形不良甚至连续切割缺陷，穿孔熔池的敏感性以及非常窄的工艺窗口使得震荡或搅拌措施难以在VPPA穿孔焊接中应用。因此在铝合金焊接中充分发挥VPPA穿孔焊接的工艺优势，就需要在不引入干扰因素的前提下提出具有针对性的铝合金穿孔焊接气孔缺陷抑制方案。

发明内容

本发明目的在于克服现有焊接方法的缺陷及不足，提供一种基于斑点簇定向移动控制的VPPA穿孔焊接气孔缺陷抑制方法，通过施加垂直于电弧轴线的磁场，利用电磁力作用实现阴极斑点移动控制，斑点簇移动对气孔缺陷抑制的同时提高穿孔焊接稳定性，设置磁场脉冲与角度特性实现斑点簇对氧化膜和气泡的清理，将无序跳动的阴极斑点有序化控制，分阶段靶向作用于熔池表面和氧化膜区域，实现焊接成形和质量的双重控制，提升铝合金结构的焊接可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔缺陷抑制方法，利用磁场控制阴极斑点定向移动，由于冷阴极材料的阴极斑点处电流密度大，电磁力可在狭窄的鞘层区域产生作用。正离子流沿电磁力作用方向移动，进而带动工件表面发射电子的阴极斑点移动，实现阴极斑点从无序到有序的控制。阴极斑点向固定方向移动会形成聚集的斑点簇，以斑点簇为单位整体移动，移动的方向与位置可以通过磁场进行控制。利用斑点簇集中热作用清除氧化膜，无需单独对氧化膜清理设置正极性阶段电流和持续时间，释放针对稳定性的工艺参数调控区间，提高穿孔焊接稳定性。在清理氧化膜之后的下一个电流周期，改变磁场方向，使阴极斑点簇移动至液态金属表面，斑点热作用蒸发液体使气泡周围的氧化膜暴露在电弧当中，阴极斑点会优先在具有较低电子逸出功的氧化膜上形成，氧化膜被破碎之后气体被释放，在实际焊接过程中实现气泡原位蒸发释放。该方法主要利用斑点簇集中热作用抑制铝合金VPPA焊接气孔缺陷。

作为优选，所述变极性等离子电弧为拘束电弧，电流波形为交流矩形波，正负半波持续时间为21ms与4ms。

作为优选，所述磁场为脉冲磁场，峰值磁场强度低于0.0001特斯拉，磁场方向在焊接过程中周期性变化，频率与等离子弧电流波形频率相同，磁场方向与等离子弧中心轴线的夹角随焊接过程实时可调。

作为优选，所述正极性为电弧电流波形的负半波阶段，钨电极接焊接电源正极，铝合金工件接焊接电源负极。

作为优选，所述斑点簇为所焊铝合金表面阴极斑点集群，在变极性等离子电弧的正极性阶段随着磁场强度与角度的变化定向移动。

作为优选，所述气泡原位蒸发释放为在斑点簇的高温作用下使熔池液态金属表面蒸发暴露出气泡并释放内部气体。

本发明针对铝合金焊接极易出现的气孔缺陷问题，利用脉冲磁场控制阴极斑点移动，实现氧化膜和气泡的双重清理。变极性等离子电弧在钨极与铝合金工件之间引燃，在拘束电弧的热-力作用下铝合金被熔化形成熔池，同时熔池自由表面变形，当电弧力足够大时，熔池表面持续变形，最终穿透工件形成小孔。穿孔熔池的表面积大，易于气泡逸出。在变极性等离子电弧的正极性阶段，电弧在铝合金工件表面形成阴极斑点，常规的阴极斑点随机跳动，当阴极斑点移动至氧化膜区域时，可以对其产生清理作用。本发明利用磁场与阴极斑点内部电流产生的电磁力控制斑点移动，使随机跳动的阴极斑点聚集成簇集中热力作用更加彻底地清理氧化膜，根除熔池内气泡地来源。在此基础上改变磁场方向与角度，控制斑点簇扫掠液态金属表面，在蒸发作用下进一步使气泡逸出。结合上述两个过程，解决铝合金变极性等离子弧焊接的气孔缺陷问题。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下。

本发明提供了一种全新的气孔缺陷抑制方法，打破焊接领域“工件表面阴极斑点随机跳动”的传统认知，斑点簇热作用集中清理吸附水分的氧化膜，从根源上切断气体来源。同时利用斑点的高温蒸发作用将液面附近气泡原位蒸发释放。该方法避免了熔池震荡与搅动等方法对焊接稳定性产生的干扰，尤其适用于穿孔焊接这种对稳定性高敏感的工艺。

附图说明

图1为磁场控制的变极性等离子弧焊接过程示意图

图中：1：铝合金母材，2：熔池的纵截面，3：小孔的纵截面，4：焊接方向，5：焊缝，6：磁场的N极，7：电弧，8：等离子焊枪，9：磁场的S极，10，11：磁极移动轨道，12，13，14，15：轨道旋转结构，16，17：固定支架，18：焊丝，19：焊丝摆动控制器，20：焊丝储存及送丝装置

图2为阴极斑点簇定向移动路径示意图

图中：21：熔池俯视图，22：小孔俯视图，23：氧化膜区域的阴极斑点簇，24：熔池液态金属表面的阴极斑点簇

图3为阴极斑点蒸发释放气泡过程示意图，a-f是液态金属28中的气泡27暴露出来，在气泡周围氧化膜26上的阴极斑点热作用下蒸发释放到25电弧氛围中的过程。

图3a为熔池内气泡示意图，图3b为阴极斑点移动至气泡位置，图3c为在阴极斑点高温作用下液态金属蒸发，图3d为气泡内部气体释放过程，图3e为阴极斑点清除气泡表面的氧化膜，图3f为气泡释放后的熔池。

图中：25：电弧区域，26：气泡与液态铝合金之间的氧化膜，27：气泡，28：液态金属，29：阴极斑点移动方向

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明实施方式。

本发明提供一种基于磁场控制阴极斑点簇定向移动的铝合金焊接气孔缺陷抑制方法，利用一个能够输出矩形波电路的变极性等离子弧焊接电源，在等离子焊枪与工件之间形成等离子电弧，等离子电弧可以熔化并穿透铝合金工件形成“小孔”。交流矩形波分为正极性和反极性，在正极性阶段工件表面会形成能够清理铝合金表面氧化膜的阴极斑点，利用磁场在阴极斑点处形成的电磁力将无序的随机跳动的单个斑点聚集成簇，并沿一定方向移动，利用斑点簇的集中热作用清除氧化膜，蒸发释放液态金属内部的气泡。本发明的气孔缺陷抑制方法可以在稳定性较低的穿孔焊接中实现根除气孔的同时避免穿孔熔池失稳。

所述变极性等离子电弧为拘束电弧，电流波形为交流矩形波，正负半波持续时间为21ms与4ms。

所述磁场为脉冲磁场，峰值磁场强度低于0.0001特斯拉，磁场方向在焊接过程中周期性变化，频率与等离子弧电流波形频率相同，磁场方向与等离子弧中心轴线的夹角随焊接过程实时可调。

所述正极性为电弧电流波形的负半波阶段，钨电极接焊接电源正极，铝合金工件接焊接电源负极。

所述斑点簇为所焊铝合金表面阴极斑点集群，在变极性等离子电弧的正极性阶段随着磁场强度与角度的变化定向移动。

所述气泡原位蒸发释放为在斑点簇的高温作用下使熔池液态金属表面蒸发暴露出气泡并释放内部气体。

该成形制造方法具体操作步骤如下:

(1)加工前准备：将工件及与之相匹配的焊丝准备就绪，将等离子焊接电源、焊枪与工件连接成回路，将产生弱磁场的线圈及控制系统连接，确保送丝系统以及送丝角度控制装置准备就绪，将铝合金工件移动小车速度设置完毕，其他的气路和水路按常规接法连接。

(2)启动变极性等离子电弧：调节焊枪端面与工件之间的距离，使电弧高度维持在4mm与6mm之间，调整焊丝送进位置，使焊丝端点的初始位置在贴近工件表面的电弧中间位置，首先启动钨极与喷嘴之间的维弧，待稳定之后启动等离子主弧。

(3)启动弱磁场控制器：开启产生磁场的电源，通过调整电源输出的电流数值与波形改变磁场强度，同时利用高速摄像观察阴极斑点的移动状态，对磁场电源的电流进行实时调节以实现阴极斑点移动至特定位置的控制。

(4)磁场方向与送丝角度调整：通过调整磁极空间位置和角度，对斑点簇的移动路径进行控制，利用送丝控制器调整送丝角度实现丝材端部的控制。

(5)正常焊接过程与气泡消除：保持工件不动，使等离子电弧熔化并穿透铝合金工件，启动移动小车，使工件移动，周期性调整磁场电源和送丝控制器，实现穿孔焊接稳定进行，并清除气孔缺陷。

实施例1：

如图所示，准备5mm厚度的铝合金母材1，连接整个系统的水路与气路，通过电缆将变极性等离子焊接电源与焊枪8以及母材1连接成回路，将磁场发生器与磁极6和9连接，调整送丝系统19和20，将焊丝18送进至初始位置，开启维弧，待维弧稳定之后开启主弧7，待工件被穿透形成小孔3之后，启动移动小车控制工件沿焊接方向4 按照焊接速度移动，通过角度和位置调节装置10、11、12、13、14 和15调整磁极6和9的空间位置，实现阴极斑点聚集成簇并移动至小孔22前端氧化膜区域，斑点簇23热作用清理氧化膜，转换磁场控制电源电流方向产生反向磁场使阴极斑点移动至熔池21区域，斑点簇24蒸发释放气泡，在熔池区域阴极斑点沿一定方向29移动，液态金属28中的气泡27暴露出来，在气泡周围氧化膜26上的阴极斑点热作用下蒸发释放到25电弧氛围中。

本发明的铝合金焊接气孔缺陷抑制方法，首先利用磁场控制变极性等离子电弧的阴极斑点定向移动实现氧化膜的清理和气泡的蒸发释放。充分利用非电弧主体的控制彻底抑制气孔缺陷的产生，解决铝合金焊接气孔难以清除难题的同时避免穿孔焊接失稳，解除了氧化膜清理与控制小孔稳定的关联性，释放正极性电流和持续时间的设定限制，解决了穿孔焊接稳定窗口窄的问题。实现大型复杂铝合金结构无缺陷变极性等离子弧穿孔焊接，以及富含镁、锂等易蒸发高合金材料的焊接。

Claims (6)

1.一种基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔抑制方法，其特征在于，在铝合金变极性等离子弧穿孔焊接的基础上，利用垂直于电弧中心轴线的磁场控制阴极斑点定向移动，电磁力使原本自由态无序跳动的阴极斑点有序运动，并形成斑点集群，利用这种斑点集群清除铝合金表面的氧化膜，清理氧化膜之后改变磁场方向使斑点簇移动至熔池区域，同样利用斑点簇的热作用蒸发液体，使气泡暴露出来破碎并释放出内部的气体，实现铝合金焊接熔池内气泡的原为蒸发释放；

所述变极性等离子电弧为拘束电弧，电弧电流波形为交流矩形波，正负半波持续时间为21ms与4ms；

所述磁场为脉冲磁场，峰值磁场强度低于0.0001特斯拉。

2.如权利要求1所述的基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔抑制方法，磁场方向在焊接过程中周期性变化，频率与等离子弧电流波形频率相同。

3.如权利要求1所述的基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔抑制方法，其特征在于，，磁场方向与等离子弧中心轴线的夹角随焊接过程实时可调。

4.如权利要求1所述的基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔抑制方法，其特征在于，所述正极性为电弧电流波形的负半波阶段，钨电极接焊接电源正极，铝合金工件接焊接电源负极。

5.如权利要求1所述的基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔抑制方法，其特征在于，所述斑点簇为所焊铝合金表面阴极斑点集群，在变极性等离子电弧的正极性阶段随着磁场强度与角度的变化定向移动。

6.如权利要求1所述的基于斑点簇定向移动控制的VPPA焊接气孔抑制方法，其特征在于，所述气泡原位蒸发释放为在焊接过程中斑点簇的作用下，使熔池液态金属蒸发暴露出气泡并破碎，使内部气体释放出来的过程。

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