铝合金变极性等离子弧平焊工艺
等离子操作规程及工艺
等离子焊接原理等离子焊接是通过高度集中的等离子束流获得必要的熔化母材能量的这种焊接过程，通常等离子电弧的能量取决于等离子气体的流量，焊枪喷嘴的压缩效果和使用的电流大小。
普通电弧射流速度为80～150米/秒，等离子电弧的射流速度可以达到300～2000米/秒，等离子电弧由于受到压缩，能量密度可达105—106W/cm2，而自由状态下TIG电弧能量密度50-100W/mm2，弧柱中心温度在24000K以上，而TIG电弧弧柱中心温度在5000～8000K左右【1】。
因此，等离子电弧焊接与电子束（能量密度10 5W/mm2）、激光束（能量密度105W/mm2）焊接一同被称为高能密度焊接。
等离子焊接及穿孔示意图如图1等离子焊接及穿孔示意图等离子电弧的分类按电源的联接方式分类，等离子电弧分非转移弧，转移弧和联合型电弧三种形式【1】。
三种形式都是钨极接负，工件或喷嘴接正。
非转移型电弧弧是在钨极与喷嘴之间形成电弧，在等离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰【1】。
主要适合于导热较好的材料焊接，但由于电弧的能量主要通过喷嘴，因此喷嘴的使用寿命较短，能量不宜过大，不太适合于长时间的焊接，这种形式较少应用在焊接。
转移型电弧是在喷嘴与工件之间形成电弧，由于转移弧难以直接形成，先在钨极与喷嘴之间形成小的非转移弧，然后过渡到转移弧，形成转移电弧时，非转移弧同时切断。
由于这种方式能将更多的能量传递给工件，因此该形式电弧普遍应用到金属材料焊接和切割中。
混合型电弧是指转移电弧和非转移电弧并存，主要用于微束等离子焊接和粉末堆焊。
按电弧形状或成形原理分类，等离子电弧分为微束等离子，熔透型等离子和小孔型等离子三种基本方法。
微束等离子是在小电流，一般在30A以下，通过熔透的方法进行焊接。
通常适用于焊接细材，箔件等，在传感器元件，电子器件，电机接头，网筛加工等运用较为普遍。
熔透型等离子是在等离子气流较小，弧柱压缩较弱的情况下焊接，只对工件进行熔透而不形成小孔的这种方法。
关于焊接的毕业论文
目录1 绪论 (3)2 摘要 (3)3 材料介绍 (7)4 激光焊接技术 (7)4.1 同种镁合金的激光焊接 (7)4.2 镁合金与铝合金的激光焊接 (7)5 等离子弧焊技术 (8)5.1 同种镁合金的变极性等离子弧焊 (8)5.2 镁合金的变极性等离子弧缝焊 (8)6 低能耗激光诱导增强电弧复合焊接技术 (9)6.1 同种镁合金板材的焊接 (9)6.2 同种镁合金薄板的焊接 (9)6.3 异种镁合金板材的焊接 (10)6.4 镁合金与钢异种金属的焊接 (10)7活性焊接技术 (11)7.1镁合金活性焊接 (11)7.2镁合金活性焊丝填丝焊接 (11)8 熔化胶接焊焊接技术 (12)8.1镁合金等离子弧胶接焊 (12)8.2镁合金与铝合金的激光胶接焊 (13)9 镁合金与铝合金的扩散焊接技术 (13)10 镁合金焊接接头电弧喷涂防护技术 (14)11 镁合金焊接技术的应用及展望 (15)12 结论 (17)13 致谢 (18)14参考文献 (19)绪论近10年来，由于受到能源节约以及环境保护的巨大推动，镁合金及其焊接技术的发展比任何时期都快，从焊接方法、焊接材料到焊接设备等方面都不断有新的突破，为镁合金焊接生产向优质、高效、低成本的方向发展提供了前所未有的良好条件，并大大促进了镁合金的产业化进程。
镁合金由于其自身的物理化学特点，导致其焊接有很大困难，满意的焊接质量不易获得。
镁合金的结晶温度区大，易于产生热裂纹；镁的沸点低，温度进一步升高后，其蒸气压比在相同温度下的铝合金要高4-5倍，因而焊接时温度一旦过高，镁会气化，产生爆炸形成飞溅；镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，而容易形成夹杂；镁在接近熔化温度时，能与空气中的氮强烈化合生成脆性的镁的氮化物，显著降低接头力学性能；因此，实现镁合金优质焊接是比较困难的，在焊接时容易产生裂纹、气孔、飞溅等缺陷。
但是由于工业的迫切需要，许多科学工作者做出了很大的努力，并取得了一些重要成果。
铝及铝合金钨极氩弧焊焊接工艺规程
一、目的：用于指导公司对于铝及铝合金产品，尤其是动车组线槽、走线板及铝合金门窗的焊接二、引用标准GB/T10858 铝及铝合金焊丝GB/T 985.3 铝及铝合金气体保护焊的推荐坡口三、操作环境1. 焊接操作应在一个相对干燥的环境下进行，空气湿度一般不应超过90%。
2. 周围温度应在5℃至40℃之间，风速不得大于2m/s。
3. 避免在日光下或雨中进行焊接，不要让水或雨水渗进焊机内。
4. 避免在灰尘区或含有腐蚀性气体环境下进行焊接工作。
四、焊前准备1. 焊前清理：清理的目的是去除焊件表面的氧化膜和油污，这是防止产生气孔、夹渣的重要措施。
1.1 化学清洗效率高、质量稳定、适用于清理焊丝及尺寸不大、成批生产的焊件。
化学清洗分浸洗法和擦洗法两种，清洗剂及清洗工艺见下表铝及铝合金的化学清洗法1.2 机械清理先用有机溶剂(丙酮、松香或汽油)擦拭焊件表面的油污，然后用细铜线刷至表面露出金属光泽，或者用刮刀清理表面。
清理后的焊件应在4h内施焊，否则应重新清理。
2. 垫板为了保证焊透并使焊件不致焊穿或塌陷，焊前可在接缝下面安放垫板。
垫板材料可采用石墨、不锈钢或碳钢，表面开一圆弧形槽，以保证反面焊缝成形。
3. 预热对薄、小的焊件一般可以不用预热。
当工作环境温度低于零度，或钢材的碳当量大于0.41%及结构刚性过大、焊接厚度超过5mm的焊件时，为了使接缝附近达到所需要的温度，焊前应对焊件进行预热，预热温度为80℃～l00℃，预热范围为板厚的5倍，但不小于100毫米。
五、焊丝的选用铝及铝合金用焊丝牌号见下表。
其中HS311是一种通用焊丝，采用这种焊丝焊接时，金属流动性好，有较高的抗热裂性能，并能保证一定的强度。
但在焊接铝镁合金时，焊缝中会出现脆性化合物Mg2Si，降低接头的塑性和耐腐蚀性。
焊接铝镁合金时应采用HS331。
铝及铝合金用焊丝牌号六、焊接工艺参数的选择纯铝和铝合金钨极手工氩弧焊工艺参数（交流电源）七、焊缝质量要求外表焊缝检查，所有结构焊应全部进行检查，其焊缝外表质量要求：1.焊缝直线度：任何部位在≤100毫米内,直线度应≤2毫米。
铝合金的点焊工艺
3.4 不等厚度和不同材料的点焊 熔核偏移：当进行不等厚度或不同材料的点焊时，熔核将不对称于其交界面， 而是向厚件或导电、导热性差的一边偏移。 偏移的结果将使薄件或导电、导热性好的工件焊透率减小，焊点强度降低。熔 核偏移是由两工件产热和散热条件不相同引起的。厚度不等时，厚件一边电阻大、 交界面离电极远，故产热多而散热少，致使熔核偏向厚件；材料不同时，导电、导 热性差的材料产热易而散热难，故熔核也偏向这种材料，见图5，图中p为电阻率。
图中2b表示用大接触面积的导电板做下电极，这样可以消除或减轻下面工 作的压痕，常用于装饰性面板的点焊。
图2c为，同时焊接两个或多个焊点的双面点焊，使用一个变压器而将各 电极并联。这时，所有电流通路的阻抗必须基本相等，而且每一焊接部 位的表面状态，材料厚度、电极压力都必须相同，才能保证通过各个焊 点的电流基本一致。
由于芯棒与工件的接触面远大于电极与工件的接触面，熔核将偏向与电极接触的 工件一侧。如果两工件的厚度不同，将厚件置于芯棒接触的一侧，则可减轻熔核 偏移程度。 当需要在封闭容器上焊接工件，而芯棒又无法伸入容器时，可以用Zn、Pb、 A1或其他较被焊金属熔点低的金属填满整个容器后进行焊接(图3f)。当容器壁厚 较大时，也可以用砂子或石蜡等不导电材料作为填料。焊接应采用强条件，以免 长时间加热使低熔点金属或石蜡熔化，导致电极压塌工件。 在大量生产中，单面多点点焊获得广泛应用。这时可采用由一个变压器供电， 各对电极轮流压住工件的形式(图4a)，也可采用各对电极均由单独的变压器供电， 全部电极同时压住工件的形式（图4b）。后一形式具有较多优点，应用也较广泛。 其优点有：各变压器可以安置得离所连电极最近，因而其功率及尺寸能显著减速 小；各个焊点的工艺参数可以单独调节；全部焊点可能同时焊接，生产率高；全 部电极同时压住工件，可减少变形；多台变压器同时通电，能保证三相负载平衡。
等离子弧焊接原理及设备
第4章等离子弧焊接等离子弧焊接设备4.1 等离子弧的产生及其特性1. 等离子弧的产生1）等离子弧概念等离子电弧的形成及电弧形态比较等离子弧是通过外部拘束使自由电弧的弧柱被强烈压缩形成的电弧。
通常情况下的GTA和GMA电弧，为自由电弧，除受到电弧自身磁场拘束和周围环境的冷却拘束外，不受其他条件束缚，电弧相同相对比较扩展，电弧能量密度和温度较低。
若把自由电弧缩进到喷嘴里，喷嘴的孔径小，电弧通过时，弧柱截面积受到限制，不能自由扩展，产生了外部拘束作用，电弧在径向上被强烈压缩，形成等离子弧。
2）等离子弧的工作方式①转移型等离子弧。
(a)等离子弧方式在喷嘴内电极与被加工工件间产生等离子弧。
由于电极到工件的距离较长，引燃电弧时，首先在电极和喷嘴内壁间引燃一个小电弧，称作“引燃弧”，电极被加热，空间温度升高，高温气流从喷嘴孔道中流出，喷射到工件表面，在电极与工件间有了高温气层，随后在主电源较高的空载电压下，电弧能够自动的转移到电极与工件之间燃烧，称为“主弧”或“转移弧”。
②等离子焰流在钨电极与喷嘴内壁之间引燃等离子弧。
由于保护气通过电弧区被加热，流出喷嘴时带出高温等离子焰流，堆被加工工件进行加热，称作“等离子焰流”。
电极与喷嘴内壁间的电弧，其电流值较小，电弧温度低，故等离子焰流的温度也明显低于电弧，指向性不如等离子弧。
等离子焰流方式③混合型等离子弧当电弧引燃并形成转移电弧后仍然能保持引燃弧的存在，即形成两个电弧同时燃烧的局面，效果是转移弧的燃烧更为稳定。
2. 等离子弧特性及用途1）电弧静特性与TIG电弧相比，等离子弧的静特性的特点：①受到水冷喷嘴孔道壁的拘束，弧柱截面积小，弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高，从大范围电流变化看，静特性曲线中平特性区不明显，上升特性区斜率增加。
等离子弧静特性变化特点(a)等离子弧与TIG电弧静特性(b)小弧电流对等离子弧静特性影响②混合式等离子弧中的小弧电流对转移弧特性有明显影响，小弧电流值增加，有利于降低转移弧电压。
等离子弧焊的基本方法
等离子弧焊的基本方法等离子弧焊是一种常用的焊接方法，广泛应用于金属制品的制造和维修领域。
它以其高效、高质量的焊接结果而受到广泛赞誉。
本文将介绍等离子弧焊的基本方法，包括设备和操作步骤。
一、设备等离子弧焊需要以下设备：1. 焊接机：等离子弧焊常用的焊接机有直流等离子弧焊机和交流等离子弧焊机。
直流等离子弧焊机适用于焊接不锈钢、铝合金等材料，而交流等离子弧焊机则适用于焊接碳钢等材料。
2. 焊枪：焊枪是进行焊接操作的工具，通过控制电流和气体流量来实现焊接过程中的熔化和填充。
3. 气体供应系统：等离子弧焊需要使用惰性气体，常见的有氩气和氩气混合气体，用于保护焊接区域，防止氧气和水蒸气的污染。
4. 辅助设备：包括电源线、气管、冷却系统等。
二、操作步骤1. 准备工作：将焊接机和气体供应系统连接好，并确保电源和气源的正常供应。
检查焊枪和电缆是否完好，以及气体管路是否畅通。
2. 清洁工作：将待焊接的金属表面进行清洁，去除表面的油污、氧化物等杂质，以确保焊接接头的质量。
3. 调整焊接参数：根据焊接材料的种类和厚度，调整焊接机的电流和气体流量。
一般来说，电流越大，焊接速度越快，但过大的电流可能导致熔洞过深；气体流量的调整应根据焊接材料和焊接位置的不同进行合理设置，以保证焊接质量。
4. 进行焊接：将焊枪对准焊接接头，触发开关开始焊接。
在焊接过程中，焊枪应保持与焊接接头的距离适当，通常为2-5毫米。
焊接速度应均匀，保持一定的稳定性，以免焊接接头出现焊缝不均匀的情况。
5. 焊后处理：焊接完成后，及时关闭焊机和气源，并进行焊后处理。
包括清理焊渣、修整焊缝等工作，以保证焊接接头的质量。
三、注意事项1. 安全第一：在进行等离子弧焊时，应注意个人防护，佩戴焊接手套、护目镜等防护装备，以避免受伤。
2. 保持通风：等离子弧焊过程中会产生大量的烟雾和有害气体，应保持通风良好的工作环境，以确保操作人员的健康。
3. 选择合适的材料：不同的材料适合不同的焊接方法，选择合适的材料可以提高焊接质量。
5A06铝合金变极性脉冲交流氩弧焊工艺
5A06铝合金变极性脉冲交流氩弧焊工艺1. 概述随着科学技术的发展，轻质量、高强度的金属材料越来越多地得到应用，铝合金以其低温特性、质量轻、强度高的优点，已被广泛地应用在航空航天、汽车和民用工业中，成为一种重要的加工材料。
为了满足现代航天工业的发展，具有良好力学性能的防锈铝5A06的无缺陷连接成为现代发展的需要。
铝合金在空气中容易被氧化，其表面形成一层致密难熔、比重大的氧化膜，阻碍基体金属的氧化。
为了有效地清除铝合金表面的氧化膜，减小钨极的烧损，焊接铝合金常采用交流TIG焊的方法。
由于铝合金极易氧化，在实际生产过程中，采用交流TIG焊方法焊接铝合金时，很容易产生焊接气孔缺陷。
本文采用变极性脉冲交流弧焊电源，通过脉冲频率和混合气体比例变化对焊接气孔缺陷的影响进行了研究，并得到了满意的结果。
2. 试验条件焊接试验的目的是通过焊接试验，研究脉冲频率和混合气体比例变化对焊接气孔缺陷产生的影响。
焊接试件规格为390mm×240mm×1.5mm和390mm×84mm×1.5mm，牌号为5A06。
采用牌号为5356f2mm焊丝。
板材和焊丝的成分如表2所示。
焊枪喷嘴f10mm，钨极f2.4mm，并自制了焊接工装夹具，如图1所示。
焊接时将压板置于铝板之上，压板材料为酚醛层压布板，该材料热导率很低，不会散失铝合金板材焊接时产生的热量。
使铝合金板材焊接时所需的焊接条件基本与某型号产品焊缝焊接时一致。
3. 脉冲频率和混合气体比例变化对焊接气孔缺陷的影响（1）脉冲频率变化试板对接焊前，应对试板焊缝处进行酸洗，但不对焊缝对接处进行机械打磨。
焊接时氦氩气体比例、交流频率、焊接速度、占空比、基值电流比例和送丝量保持不变。
对脉冲频率分别为10Hz、50Hz、100Hz、150Hz、250Hz和350Hz进行了焊接试验对比，在保证焊透的情况下，进行X光拍片检查。
试验参数和X光拍片结果如表3所示。
特高压开关铝制筒体的变极性纵缝等离子弧焊接工艺方法
ａ焊缝正面 ｂ焊缝背面 图 ４保 护 气 为 ５ ５ ％Ａ ｒ ＋ ４ ５ ％Ｈ ｅ时 的 焊缝 正 反 面 焊 缝
２ ． ３ ． ４ 送 丝 速 度
焊接 过程 中送丝可减少 或避免咬边现象［ ３ 】 。 在铝合金中 、厚板 的变极性 等离子弧焊接过 程 中， 如果不填丝 ， 在焊缝 背面会因液态铝合金熔 池的表面张力作用及金属在凝 固时 的收缩 出现 整个 焊缝 很深 的凹陷现象 ，同时正面焊缝无余 高， 低于母材或与母材相平 。 随着送丝量的增加 ， 正面焊缝 的余高也增加 ， 背 面的凹陷逐渐减小甚 至消失 ， 同时也出现余 高 ，采用纯度为 ９ ９ ． ９ ９ ９ ％的氩气 和纯度为 ９ ９ ． ９ ９ ％的氦气。 度提高 ， 增大 电弧的穿透力 ， 并 能提 高焊接速度翻 。这对厚板铝合金 （ ５ ） 氦 一氩气体混合器 ：采用 Ｓ ＭＩ Ｔ Ｈ高精度 Ｈ ｅ — Ａ ｒ 双路气体配 焊接有着非常中重要 的意义 ， 相 同厚度的板材就可 以用较小 的电流 比器进行保护气 的混合配比。 进行焊接 ， 保证焊接质量的同时提高生产效率 。 （ ６ ） 冷却水 ： 采用纯净水或去离子水 。 ２ ４焊接工艺参数 的确定 ２ ． ２焊接工艺 常规 ６ － １ ２ ｔ ５ ０ ５ ２ 一 Ｈ１ １ ２铝合金板 材卷制筒体 的纵缝 变极 性等 ２ ． ２ ． １引 、 收弧板焊接 离子弧焊接工艺是不开破 口单面焊双面成型在 预热 的情况下也可 引弧板在变极性等离子焊接时有两个重要作用 ： 一是保证起弧 以获得满足 １ ６ ｔ ５ ０ ５ ２ 一 ＨＩ １ ２铝合金板 材卷制筒体 的纵缝 的焊接要 时的焊接缺陷留在引弧板上 ， 同时保 证能在工件上形成稳定 的等离 求 ， 但对大批量 、 焊缝长 的筒体 生产来说 ， 不易预热 和预热 的方式效 子弧 ； 二是热量传输作用 ， 保证 电弧产生的热量顺利过渡到简体上 ， 率低 ， 而且还难 以保证焊缝 均匀受 热 ， 会造成 由于预 热不足或不均 更好的保证其焊接质量。焊前剪两块与筒体同材质的铝板 ， 规格为 而导致焊缝背面局部咬边等焊接缺 陷， 影响焊缝的焊接质量 。 １ ５ ０ ｍｍ Ｘ ８ ０ ａ ｒ ｍ， 一块作为引弧板 ， 另一块作为收弧板。引弧板长度 因此 ，对采用氦氩混合 气作 为保护气 的纵 缝焊接参 数进行试 方 向与筒体对接 ， 以满足焊接 时热 量能顺 利过渡到筒体 ， 保 证焊接 验。经过反复试验： 保护气为 ５ ５ ％氩气加 ４ ５ ％氦气 混合气体 的情况 需要 。 同时采用 手工 Ｔ Ｉ Ｇ在纵缝正面固定引 、 收弧板 。 固定焊前也得 下 ， 焊接效果最好 。 同时焊接工艺参数如表 １ 所示 ， 图 ４为该 焊接参 清理对接焊缝 ， 同时引、 收弧板与工件 的间隙应不大于 ｌ ｍｍ， 固定焊 数下的焊缝情况。 点位于引 、 收弧板两端 ， 固定焊点长 １ ５ —２ ０ ｍ ｍ， 引、 收弧板与筒体对 图 ４显示 ： 焊缝外观漂亮 （ 正 面光亮 ， “ 波纹 ” 均匀 ， 而且余高 合 处满焊 ， 背 面焊后需打磨平整 ， 同时需进行焊前清理 。 适） 、 焊缝背面较规则 、 均匀 ， 无 咬边 ， 外观检查达 到图纸设计 要求 ， ２ ． ２ ． ２筒体纵缝焊接 同时焊缝经 ｘ射线探伤检查 为 Ｉ 级， 合格率 １ ０ ０ ％。 在引弧板上起弧后穿孔时开始送 丝 ， 等离子弧稳定 过渡到筒体 ３ 结 论 上 开始进行筒体纵缝焊接 。筒体纵缝 焊接 时采用氦氩混合气 ， 自动 ３ ． １ １ ６ ｔ 铝合金板材卷制简体 的纵缝变极 性等离子弧焊接 ， 可以 焊丝 。焊缝单道焊焊后可根据焊缝需求再进行盖面 ， 盖面时采用 纯 实现 Ｉ 型坡 口对接单面焊双面成形 ， 焊后焊缝采用 ｘ射线探伤检测 氩气作为保护气。 达到 Ｉ 级， １ ０ ０ ％合 格 。 ２ － ３工艺参数对焊接质量的影 响 ３ ． ２试验结果 ， １ ６ ｔ 铝合金板材卷制简体 的纵缝变极性等离子弧 ２ ． ３ ． １ 离子 气 流 量 焊接工艺参数见表 ２ 。 离 子气 流量越大 ， 电弧的穿透能力越强 ， 但过大不利于小孔 的 ３ ． ３特 高压产品各类筒体等 由于纵缝 长、 生产批量大 ， 采用此工 收缩成 型， 焊缝 背面容易 出现“ 气割” 、 烧穿等现象。 图１ 为离子气流 艺在保证纵缝 焊接质量的同时 ， 降低 了劳动强度 ， 提高了生产效率 。 量为 ３ ． ５ Ｌ ／ ｍｉ ｎ时焊缝背面 出现的“ 气割” 、 烧穿等现象。 离子气流量 ３ ． ４本 工艺 的研究 ，为我公司特高压产品各类筒体 的制造提供 过小 ， 电弧穿透 能力差 ， 达不到单面焊双 面成型的效果 。 了有效地焊接技术保证 ， 为下一步研究更 大厚度铝合金板不开坡 口 ２ ． ３ ． ２ 线 能量 的等离子弧焊接工艺奠定基础 。 焊缝 的焊接质量受线能量大小影响 ， 换句话说 与焊接电流和焊 参 考文 献 接速度息息相关 （ 焊缝 的熔透能力 随焊接 电流 的增 大而增强 ， 但电 ［ １ 】 美国焊接 学会． 焊接手册第一卷［ Ｍ】 ． 北京： 机械 工业 出版社， １ ９ ８ ５ ． 流过大时会造成穿孔 的直径过大， 出现熔滴坠落 ， 不能成型。 但 电流 【 ２ 】 周振风， 张 文钺 ． 焊接 冶金 与金 属 焊接 ｔ Ａ ［ Ｍ］ ． 北 京： 机 械 工 业 出版社 ． 小， 熔透能力不够 ， 会 出现未焊透现象 ； 焊速过高 ， 则会 出现焊缝焊 ［ ３ 】 满伯 倩， 张铁 ． 变极 性等 离子弧焊设备及 其铝合金 焊接工 艺研 究 后 咬边 ， 背 面无法成型 ） 。经过平时经验和反复试验 ， 对焊接电流同 【 Ｊ ］ ． 上 海航 天 ， ２ ０ ０ ６ ． ２ ： ６ １ － ６ ４ ． ４ ］ 周 万盛， 姚 君 山． 铝 及铝 合金 的 焊接 ［ Ｍ 】 ． 北 京： 机械 工 业 出版社 ， 为３ ３ ０ Ａ， ３ ０ ０ Ａ时 ，焊接速度分别为 １ ２ ０ ｍ ｍ ／ ｍ ｉ ｎ 、 １ ０ ０ ｍｍ ／ ｍｉ ｎ时工件 ［ 的焊缝成形情况进行对 比。图 ２为焊接电流为 ３ ３ ０ Ａ、焊接速度为 ２０ ０ ６ ． ５ 】 雷玉成， 陈希章， 朱强． 金 属材料焊接 工艺【 Ｍ】 ． 北 京： 化 学工业 出版 １ ２ ０ ｍ ｍ ／ ｍ ｉ ｎ的焊缝情况正面焊缝出现咬边现象 ， 焊缝背面有明显的 【
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缝正/背面照片。 正反极性时间比为 19∶4。
电弧电压 U/V
30
20
10
0
-10
-20
-30
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320
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图 4 变极性等离子电弧电压和焊接电流波形
焊接电流 I/V
Welding Technology Vol．39 No．2 Feb. 2010
本 试 验 采 用 了 3 mm 厚 的 LD10 （Al－Cu－Mg－Si） 铝合金。 采用德国汉诺威大学研制的汉诺威分析仪对 焊接电流、 电弧电压波形进行了采集和分析。
2 等离子弧平焊焊缝成形机理 VPPA 与 其 他 焊 接 方 法 相 比 ， 具 有 能 量 集 中 ，
电弧挺度大、 一次穿透深度大、 焊后变形小等特 点。 在不填丝、 不开坡口的情况下， 可以实现单面 一次焊双面良好成形， 极大地提高了焊接生产率。 而且接头内部缺陷率低， 由于电极隐蔽在喷嘴内 部， 受污染的程度大大减轻， 其使用寿命成倍提 高。 图 2 为等离子电弧形态示意图。 a， b， c， d 分 别表示钨极到喷嘴入口处、 喷嘴孔道长度、 喷嘴出 口处到工件段的电弧长度以及等离子电弧加热工件 区域直径。
比较图 5 和图 7 可知， 在平均电流相同的情况 下， 减少正、 反极性电流幅值差值时， 变极性等离子 弧平均电压降低， 电弧功率下降， 使得正面焊缝余高 增高而背面焊缝余高降低， 甚至有些未焊透的现象。
在 VPPA 焊接工艺中， 能够形成稳定、 较好焊缝 成形的焊接电流区间很窄， 这是等离子弧焊接工艺不 能广泛推广的主要原因。 3．3 离子气流量的影响
中图分类号： TG457.14； TG456.2
文献标志码： B
0 前言 变极性等离子弧焊 （VPPA） 与 TIG 或 MIG 焊相
比， 具有能量集中、 电弧挺度大、 一次穿透深度大、 焊后变形小、 效率高、 成本低等特点。 在国外， 变极 性等离子弧焊接方法已经在航空、 航天领域材料的 焊接中得到了应用 ， ［1－2］ 但 是 ， 由 于 等 离 子 弧焊接设 备比较昂贵， 焊接技术不好掌握， 在我国， 变极性等 离子弧焊接技术没有得到普遍应用。
大输出电流可达 400 A， 正极性时间的调节范围为 1~ 999 ms， 反极性时间的调节范围为 1~99 ms， 对离子 气流量和焊接速度进行精确控制。 变极性等离子弧焊 接系统如图 1 所示。
焊
接 参 数 设
80C196 KC
单片机
定
焊接参数显示 焊接时序控制 离子气流量控制
故障显示 图 1 变极性等离子弧焊接电源单片机控制系统框图
学报， 2004， 25（1）： 124－128． ［2］ 吕耀辉， 陈淑君， 殷树言， 等． 铝合金变极性等离子弧焊接电源
的研制［J］． 航天制造技术， 2003， 46（2）： 3－5． ［3］ 吕耀辉， 殷树言， 陈树君， 等． 变极性穿孔等离子弧焊接系统的
22 ·工艺与新技术·
焊接技术 第 39 卷第 2 期 2010 年 2 月
小区域内氧化膜的清理， 使得在反极性期间内工件的 加热较集中， 为随后正极性电弧更集中地作用于该区 域， 形成窄、 小且深的熔池创造了有利条件。
c ba
d 图 2 等离子电弧示意图
本文研究的 VPPA 平焊过程中熔池稳定性要比立 焊更加困难。 由于在 VPPA 焊接中电弧推力要比一般 焊接时大得多， 而铝合金熔点低， 高温强度低， 再加 上平焊时液态熔池重力的共同作用， 使液态金属的表 面张力很难抵抗这 2 个力的合力， 难以保持熔池上受 力平衡， 导致焊缝正面无余高， 而焊缝背面宽， 余高 过于增大， 严重时使焊缝坍塌， 这也是等离子弧平焊 工艺长期得不到广泛应用的原因之一。 图 3 为焊缝熔 池上各种力的平衡分析。 图中的 PV 是等离子电弧射 流的动压力， 该力吹动液态金属从焊缝正面流向焊缝 背面， P 为该截面处的金属液面表面张力所产生的反 向 压 力 ， Fg 为 重 力 。 试 验 证 实 ， 薄 板 铝 合 金 变 极 性 等离子弧平焊时很难以穿孔法进行焊接。
图 6 和 图 7 分 别 为 正 极 性 电 流 86 A， 反 极 性 电
流 117 A 的 电 弧 电 压 、 焊 接 电 流 波 形 和 对 应 的 焊 缝
正/背面照片。
30 20 10 0 -10 -20 -30 -40
320 360 400 440 480 520 560 600 时间 T/ms
摘要： 分析了薄板铝合金变极性等离子弧平焊工艺稳定性机理 。 试验采用自行研制的变极性等离子弧焊接电源， 对 1060 铝合金薄板采
用变极性等离子弧平焊工艺， 分析了在变极性等离子弧焊接过程中， 焊接电流、 离子气流量、 送丝速度等参数对焊缝成形的影响， 获
得了良好的焊缝质量。
关键词： 铝合金； 变极性等离子弧焊接； 焊缝成形； 平焊
满足焊缝正面成形的前提下， 喷嘴到工件间的距离 应尽可能短。 弧高由低到高变化时， 等离子电弧力以 及离子气对焊缝的压力减小， 焊缝正面余高增大， 背 面余高减小。 图 10 为弧高 3~4 mm 的焊缝 成 形 。 若 喷嘴到工件的距离过大会使焊接熔池闭合， 可能出现 电弧熄弧现象。
图 7 正极性电流： 86 A， 反极性电流： 117 A 时的焊缝成形
（3） 试验得到 3 mm 厚铝合金 VPPA 平焊的最佳 焊接工艺参数是： 正极性电流 84 A， 反极性电流 106 A， 离子气流量 3 L/min， 焊接速度 为 35 cm/min， 弧 高 3 mm， 送丝速度 176 cm/min， 钨极内缩量 2 mm。
参考文献： ［1］ 陈克选， 李鹤岐， 李春旭． 变极性等离子 弧 焊 研 究 发 展 ［J］． 焊 接
3 焊接参数对焊缝成形的影响
3．1 正极性电流对焊缝成形的影响
铝合金变极性等离子弧焊接时， 正极性电弧对工
件的直接加热作用小于反极性等离子弧。 正极性电流
的主要作用是形成能量集中且大小合适的电弧力， 实
现铝合金试件的穿孔。 相同电流幅值条件下， 正极性
电弧力大于反极性电弧力， 并且正极性等离子电弧能
正面余高 P
母材
背面余高
Fg+Pv 溶池
图 3 熔池受力分析
在 VPPA 焊接过程中， 钨极烧损量主要取决于反 极性电流幅值和反极性时间的乘积。 这个乘积数越 大， 钨极烧损量就越大。 在 I×T 相等情况下， I 值较 小、 T 值相对较大时的钨极烧损量大于 T 较小、 I 相 相对较大时的烧损量， 这是由于钨极烧损主要取决于 一定时间内的热积累。 因此， 在满足工件表面氧化膜 清理的前提下， 为减少钨极烧损量， 采用大的反极性 电流幅值和短的反极性持续时间是较为理想的参数匹 配。 这样 “强规范” 的匹配方式可在反极性期间内， 伴随着反极性电流短时、 集中、 高效地对工件表面窄
量更集中。 因此， 正极性电弧主要作用于熔池中心部
位， 它是保证铝合金试件获得熔池的主要因素。
3．2 反极性电流的影响
反极性电弧的加热面积大于正极性电弧的， 作用
于熔池前沿固态母材金属表面， 加热母材并清除其表
面的氧化膜。 由于反极性等离子弧功率大， 为液态金
属的良好流动创造条件， 并为正极性电弧的到来做好
经大量试验得到 3 mm 厚铝合金 VPPA 平焊的最 佳焊接工艺参数是： 正极 性 电 流 为 84 A， 反 极 性 电 流为 106 A， 离 子 气 流 量 为 3 L/min， 焊 接 速 度 为 35 cm/min， 弧 高 为 3 mm， 送 丝 速 度 为 176 cm/min， 钨 极内缩量为 2 mm。 图 12 和 13 分别为最佳焊接参数 的电流波形和焊缝照片。
·工艺与新技术· 23
弧压缩强烈， 在焊接过程中容易出现咬边甚至切割现 象。 图 9 中离子气流量过小时则电弧能量不足以形成 稳定的焊缝熔池， 使试件/A
电弧电压 U/V
图 5 正极性电流： 75 A， 反极性电流： 169 A 时的焊缝成形
1 试验设备及材料 试验采用了自行研制的变极性等离子弧焊接电
源［3］。 焊接主电源是以 80C196KC 单片机为控制核心， 主电路为双逆变型电路拓扑结构。 电源正、 反极性最
收稿日期： 2009-11-18 基 金 项 目 ： 国家自然科学基金 （50764007）； 国家自然科学基金
（50775003） 资助项目
图 8， 9 分别为离 子 气 流 量 4， 1．5 L/min 时 的 焊 缝成形。 由图 8 可以看出， 离子气流量较大时， 可提 高等离子弧的熔透能力， 使焊缝背面余高和宽度增 大， 正面余高和宽度减小。 如果离子气流量太大， 电
图 10 弧高 3~4 mm 的焊缝成形
3．5 送丝速度对焊缝成形的影响 如果减小或停止送丝， 焊缝成形会出现正面余高
Welding Technology Vol．39 No．2 Feb. 2010 文 章 编 号 ：1002－025X(2010)02-0021-04
·工艺与新技术· 21
铝合金变极性等离子弧平焊工艺
韩永全， 于忠海， 姚青虎， 杜茂华， 吴 斌
（内蒙古工业大学 材料科学与工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051）
焊接电流 I/A
120
80
40
0
-40
-80
-120
320
360
400
440
480
时间 T/ms
图 12 正极性电流 84 A， 反极性电流 106 A 时焊接电流波形