變極性等離子弧焊設備及其鋁合金焊接工藝研究

1、2 0 0 6 年第 2 期 上 海 航 天AE R ( ) ! ； P A ( ： ES HA NGH AI文章編 號： 1 0 0 61 6 3 0 ( 2 0 0 6 ) 0 2 ． 0 0 6 1 ． 0 4變極性等離子弧焊設備及其鋁合金焊接工藝研究 滿伯倩 ， 張 鐵 ( 1 ． 上海航 天精 密機械研 究所 。 上 海 2 0 1 6 0 0 ； 2 ． 上 海金 通電子設備有 限公 司， 上海 2 0 0 2 3 2 )

2、摘 要 ： 介紹 了國產(chǎn) 變極性等 離子弧焊 ( V P P A W) 設備 的組成 、 變極性 電源 主 電路 的工作原 理 。 以及微機控 制和 焊炬等關鍵技 術。用該設備 對不 同厚度的高強度可熱處理強化鋁合金 試樣 、 貯箱縮 比及 1 ： 1 試驗件 進行 了 v P ．P A W ， 并分析 了接 頭形 式、 起弧與收弧 、 焊接工 藝參數(shù)確 定、 常見 缺 陷、 焊接 組織及 其 力學性 能。焊接試驗 結果 表 明 ， 用

3、 V P P A W 設備焊接 的鋁舍金 厚度 可達 1 4m m， 與交流鎢極 惰性 氣體保 護焊( T I G ) 相 比， 其 焊縫質(zhì)量佳 ， 接 頭性 能 優(yōu) 。關鍵詞 ： 高強鋁合金 ； 變極性等 離子弧焊 ； 焊接設備 ； 焊接工藝 ； 參數(shù) 中圖分類號 ： T G 4 3 4 ． 2文獻標識碼 ： AR e s e a r c ho nV P P A W E q u i p m e n ta n dI t sA l u

4、m i n u m~ l l o yWe l d i n gT e c h n i q u eMAN B a i — q i a n，Z HANG Ti e 2( 1 ．S h a n g h a iS p a c eP r e c i s i o nMa c h i n e r yR e s e a r c hI n s t i t u t e ，S h a n g h a i2 0 1 6 0 0 ， C h i n a ；2

5、． S h a n g h a iJ i n t o n gE l e c t r o nE q u i p m e n tL t d ． C o ． ， S h a n g h a i2 0 0 2 3 2 ， C h i n a )A b s t r a c t ： Th ec o mp o s i t i o n ，ma i nc i r c u i tp r i n c i p l eo fv a r i a b l ep o

6、l a r i t yp owe rs o u r c e ，a n dk e yt e ch n o l o g i e ss u c ha sc o n t m lu s i n gc om p u t e ra n dw e l d i n g— g u no ft h ev a r i a b l ep ol a r i t yp l a s m a a r cw e l d i n g( V P P A W )e q u

7、i p m e n tm a d ei nd o me s t i cwe rei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ． Th es p e ci me nwi t hd i f f e r e n tt h i c k n e s s ， s u b s c a l ea ndr e a lt a n ko fa l u mi n u m a l l o yt h a tc ou l db e

8、s t r e n g t h e n e d b yh e att r e at me n twe r ewe l d e d e x p e r i me n t a l l yt h r o u g hV P P AW．T h ej o l n tf o r m。a r cs t r i k ea n ds t o p ，we l d i n gt e c h n i q u ep a r a me t e rd e t e

9、r mi n a t i o n，n o r ma ld e f a u l t ，we l d i n gs t r u c t u r ea n dme c h a n i c a lp e r f o r ma n c ewe r ea l s o d i s c u s s e dTh ee x p e r i me n tr e su l t ss h o w e dt h att h em a x i mu m s p

10、 e ci me nt h i c k n e s so fa l u mi n u m a l l o ywo u l db e1 4F f l l n ． T h ew e l dq u a l i t ya n dj o i n tp er f o r m a n c ew e r eb e t t e rt h a nt h o s eo ft u n gs t e ni n e r tg a sw e l d i n g

11、．K e y w o r d s ： Hi g hs t r e n g t ha l u m i n u m a l l o y ； Va r i a b l ep o l a r i t yp ow e ra r cw e l d i n g ；We l d i n g e q u i p me n t ；W e l d i n gt e c h n i q u e ；P a ra me t e r0引言 為適應航天運載工具的大

12、型化， 主體結構材料 使用 了可熱處理強化 的高強度鍛鋁合金 或鋁鋰合 金。這類鋁合金 的焊接性能差 ， 具有較大的熱裂紋 和氣孔形成傾 向， 對焊接 中的多種 因素敏感 ， 焊接接 頭的斷裂韌性較低 。2 0 世紀 7 0年代 以來 ， 航天容器焊接主要采用 交流鎢極氬弧焊工藝。該工藝存在焊接變形大 、 接 頭強度低 ( 僅為母 材 的 0 ． 5 ～0 ． 6 ) 、 多道填充焊接 、收稿 日期 ： 2 0 0 4 ． 1 2 ．

13、2 9 ； 修 回日期 ： 2 0 0 5 ． 1 0 一 l l作者簡介 ： 滿伯倩( 1 9 4 5 一) ， 男 ， 高級 工程師， 主要從事焊接工藝 研究 。檢驗工序多 、 效率低 和氣孔率高等缺點。選用高能 束流類焊接法 是一種較 為合 理 的改進【 1 - 4J 。但 真 空 電子束和激光焊較難應用于大型鋁合金航天結構 件 ， 而 V P P A W 接技術卻有較佳 的適應性 ， 在 國外 已有成功應用， 在 國內(nèi)也越來越受

14、到重視。為此 ， 本文介紹 了 V P P A W 設備 的研制及其對 鋁合金焊接工藝進行的研究 。1變極性等離子弧焊接設備 2 0 0 1 年， 上海 金通 電子 設備 有 限公 司研 制 了L H ME3 1 5 型 I G B T雙重逆變式 V P P A W 機及配套 裝置 ， 這是 國產(chǎn)第 一代 V P P A W 焊接設備 。該設備 由工業(yè)微機控制 ， 利用 I G B T一次逆變電源的高效 維普資訊 http://www.

15、cqvip.com 2 0 0 6 年第 2 期 滿伯倩， 等： 變極性等離子弧焊設備及其鋁合金焊接工藝研究 尺 寸 。設計的 G A C 3 0 0 焊炬采用噴嘴直接水冷與電極 間接水冷、 雙偏心套調(diào)節(jié)電極對 中， 以及電極內(nèi)縮量 由專 用 塞 規(guī) 定 位 。實 驗 表 明 ，V P P A W 電 流 為 3 0 0A 時， 焊炬噴嘴熱功率耗散可達 5 ～6l 【 W。這要 求不僅冷卻裝置有足夠的熱交換能力 ， 而且水 冷噴 嘴的

16、循環(huán)流量需得到保證 。為此 ， 將冷卻通路 由上 下槍體串聯(lián)改為并聯(lián)， 通過降低流阻和合理分配流 量 比例 ， 改善了噴嘴冷卻條件。2變極性等離子弧焊接工藝試驗 用 L H ME 一 3 1 5 ， L H ME5 0 0型 電源 ， 對 2 0 1 4 ，2 2 1 9 ， 6 0 8 2 ， 7 0 0 5 等 多種高強度可熱處理強化 鋁合 金( 厚度 分別為 3 ， 5 ， 6 ， 8 ， 1 0 ， 1 2m m) 進行 了 V

17、 P —P A W 工藝試驗 ， 在此基礎上生產(chǎn) 了 2 2 1 9鋁合金的 工藝縮比件貯箱試驗件， 并焊接了 1 ： 1 的新一代運 載火箭貯箱的工藝試驗件環(huán)縫。2 ． 1 接頭形式 鋁合金板材厚度為 3 ～1 2r f t l T l 時 ， 其接頭可為 I 型 ， 不開坡 口填加焊絲 一次焊透。為兼顧反 面焊 透和正面成形， 同時也便于操作者看清焊縫和對中，對厚度 1 0 ～1 2T T 1 T r l 或更 大 的工 件， 可

18、開深度 1 ～1 ． 5T T 1 T r l 的 V形小坡 口； 對厚度 1 4 ～1 6T T 1 T r l 的板材 ，打底焊用小孔法 ， 蓋面焊用熔透法 ， 兩層的焊接參數(shù) 可有較大區(qū)別。這樣 ， 能使外觀與內(nèi)部質(zhì)量均易達 到航天焊接標準的要求 ； 對厚度 1 4 -2 0T T 1 T r l 的板材 可用 5 ～8m m 的 3 0 。 坡 口單面兩道焊或 X型坡 口的 兩面焊 。2 ． 2 起弧和收弧控制V P P A W

19、 引弧時應先引燃副弧， 后引燃 主弧 ， 以防止直接引弧不順 利造成 的起弧段缺 陷( 主要為密 集氣孑 L ) 。焊接程序 中應設置合適 的電流和離子氣 流量斜率 遞增率 ， 起 弧 時上坡 時 間可 略長于 T I G焊。V P P A W 收弧控制也應采用電流和離子氣流量 遞減 ， 特別是環(huán)縫的衰減收弧時間應遠長于 T I G焊 ( 斜率較小 ) 。環(huán)縫 的起、 收弧接頭的重疊量應大于 T I G焊 的 1 ． 5 倍 ， 保證過

20、渡平滑和起 、 收弧接頭處的 焊接質(zhì)量。2 ． 3 工藝參數(shù) 與 T I G焊相 比， 等離子 弧焊 的工 藝參 數(shù)多、 參 數(shù)匹配范圍小。T I G焊的參數(shù)主要是電流和速度，而等離子弧焊除電流和速度外 ， 還有涉及 電弧壓縮 比( 電弧穿透力) 的離子氣流量 、 噴嘴孑 L 道 比和電極 內(nèi)縮量三個參數(shù)。離子氣流量增大時 ， 可提高等離子弧的熔透能 力 。因鋁合金的導熱性好 、 密度小， 離子氣流量過大 會使等離子弧吹力過大而將熔液吹

21、 向兩側 ， 影響成 型。鋁合金的許用等離子氣流量范圍較小 ， 對相同 口徑的噴嘴， 其流量一般僅 為焊接低碳鋼的 1 ／ 3 ～1 ／ 4 。若設備和工件焊接位置 的高度差較 大 ( 大于 5m) ， 則應考慮對離子氣流量進行壓降補償。應根據(jù)接頭熔透要求選定焊接 電流， 電流過小 時不能形成小孑 L ； 電流過 大時易燒穿并 引起雙弧。另外 ， 焊接電流還需與離子氣流量匹配。焊接速度取決于離子氣流量和焊接 電流， 三者 必須匹配 ，

22、這其 中一般應先確定焊接速度 。由等離 子弧的特點可知 ， 焊接速度以較大為好 ， 尤其是對一 些易氧化的高溫合金、 鋁鋰合金和鈦合金等 ， 更應以提高焊接速度為首要考慮 ， 盡量縮短焊接熔池在保 護 區(qū)內(nèi)的停留時間。焊接鋁合金的噴嘴孑 L 徑應 比焊接碳鋼時大 1 ～1 ． 5T T f r l ， 而孑 L 道長度小 ， 因此 噴嘴的孔道 比較小 。試驗表明孔道比宜為 0 ． 9 ～1 ． 0 5 。鎢極的內(nèi)縮量較大 ， 壓縮度提高

23、 ， 但過大會影響 引弧。一般取焊鋁的內(nèi)縮量為焊碳鋼 的 0 ． 6 ～0 ． 8倍 ， 對中厚度( 3 ～8T T 1 T T 1 ) 的鋁合金 ， 內(nèi)縮可略大 ； 對 大厚度( 1 0 ～1 6T T 1 T r l 或更 大) 的材料， 內(nèi)縮 應減小 ，或適 當增大噴嘴孑 L 徑 ， 以降低焊縫的成形難度。另 外 ， 鎢極相對噴嘴 的同心度校正非常重要 。電極偏 心會引起等離子弧偏斜或產(chǎn)生雙弧， 影響焊縫成形 。V P P A W

24、 焊炬保護罩的 口徑大于 T I G焊炬 ， 保 護氣體( A t ) 流量也相應地遠大于 T I G焊。當板厚 較大尤其是垂直向上焊時 ， 必須采用反面保護。V P P A W 的弧柱 溫度 和吹力 遠高 于交流 T I G焊 ， 陰極清理作用更強。為提高熔焊效率， 減少鎢極 耗損 ， 在保證陰極清理效果 的前提下 ， 清掃 比可為 2 5 ％～3 5 ％， 不應過分追求焊縫表面光亮而降低鎢 極和噴嘴的使用壽命 。2 ． 4 常見缺陷