穿孔等離子弧焊接工藝研究進(jìn)展

山東大學(xué)材料連接技術(shù)研究所 武傳松 趙晨昱 賈傳寶

焊接是航空航天領(lǐng)域的關(guān)鍵制造工藝[1]。焊接技術(shù)直接關(guān)系到航空航天結(jié)構(gòu)的服役性能與壽命。為了更好地開(kāi)展空天探索開(kāi)發(fā)任務(wù)，需要提高航空航天載具的性能。這就要求在載具的加工制造時(shí)選擇低密度、高強(qiáng)度、對(duì)極端使用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的材料。鋁合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、成形性好、斷裂韌度高、疲勞強(qiáng)度高、低溫性能好、耐腐蝕且無(wú)磁性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[2]。由于鋁合金具有熱導(dǎo)率大、線膨脹系數(shù)大、表面極易產(chǎn)生氧化膜、固液相氫溶解度差別大等特點(diǎn)，焊接時(shí)易出現(xiàn)變形、氣孔、裂紋等缺陷，難以獲得高質(zhì)量的焊縫。因此，突破焊接工藝的相關(guān)技術(shù)瓶頸對(duì)航空航天事業(yè)的向前推進(jìn)有著重要的意義。隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，各種新型鋁合金材料的不斷出現(xiàn)及應(yīng)用，焊接技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。

雖然攪拌摩擦焊接技術(shù)在鋁合金結(jié)構(gòu)的制造方面有很大的優(yōu)勢(shì)，但熔化焊接工藝仍具有不可替代性。因?yàn)殇X合金的特殊物理性能，鋁合金焊接時(shí)要求采用具有高能量密度、低熱輸入、高焊接速度的焊接工藝。電子束焊和激光焊具有上述特點(diǎn)，但是電子束焊需要在真空的環(huán)境中進(jìn)行，激光焊時(shí)鋁合金表面的反射率較大，能量利用率較低。另外，這兩類焊接工藝用到的設(shè)備成本高，操作復(fù)雜，對(duì)焊接工件的裝配精度要求高，適應(yīng)性不夠強(qiáng)。而穿孔等離子弧焊接具有成本低、操作方便和適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在航空航天鋁合金結(jié)構(gòu)的焊接方面，具有一定的應(yīng)用潛力。

等離子弧焊接具有許多特殊的優(yōu)點(diǎn)。等離子弧焊槍的特殊構(gòu)造會(huì)對(duì)電弧施加機(jī)械壓縮、熱壓縮和電磁壓縮[3]，由于拘束度的增加，等離子弧弧柱直徑縮小、能量密度增加、溫度升高（溫度可達(dá)11000℃以上）[4-5]。由于噴嘴孔徑的減小，等離子體的流速可達(dá)300～2000m/s，能量密度能夠達(dá)到 109～1010W/m2。因此，穿孔等離子弧焊可以得到深寬比大、熱影響區(qū)較窄的焊接接頭[6-7]。按照焊接過(guò)程中是否形成穿透工件的小孔，可以將等離子弧焊接方法分為穿孔型等離子弧焊接和熔入型等離子弧焊接。圖1為穿孔型等離子弧焊接，這種焊接方法可實(shí)現(xiàn)“單面焊雙面成形”，所得焊縫橫截面呈倒喇叭狀，深寬比大，熱影響區(qū)小。

圖1 穿孔型等離子弧焊接原理

穿孔等離子弧焊的焊縫質(zhì)量取決于多種因素，其中被焊母材的物理性能和焊接工藝參數(shù)尤為重要[8]。對(duì)焊縫質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用的焊接工藝參數(shù)有：噴嘴形狀及尺寸、噴嘴到工件的距離、鎢極內(nèi)縮量、鎢極尺寸與材質(zhì)、焊接電流、焊接速度、離子氣成分及流量、保護(hù)氣成分及流量等。焊接工藝參數(shù)的選擇需要兼顧熔池與小孔的穩(wěn)定性。由于機(jī)械壓縮、熱壓縮和電磁壓縮作用以及鎢極內(nèi)縮于噴嘴，因而等離子弧具有較高的能量密度和電弧壓力。由于弧柱中的粒子具有較大的速度和動(dòng)量，因此可以將熔池前端熔融的金屬液排開(kāi)形成小孔。隨著焊槍的移動(dòng)，電弧沖擊、加熱熔化前壁母材，熔融金屬液受到電弧力的擠壓沿小孔側(cè)壁流向后方，形成液態(tài)金屬熔池，凝固后形成焊縫[9]。在焊接過(guò)程中，小孔的動(dòng)態(tài)行為是決定焊縫成形質(zhì)量及穩(wěn)定性的關(guān)鍵[10]。隨著焊接電源及焊槍結(jié)構(gòu)的完善，焊接過(guò)程中可以獲得穩(wěn)定燃燒的焊接電弧。但是在穩(wěn)定燃燒的焊接電弧作用下，小孔的穩(wěn)定存在依然受到各方面因素影響，可以獲得高質(zhì)量焊縫的焊接工藝規(guī)范參數(shù)窗口依然很窄。針對(duì)這些問(wèn)題，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外的焊接科研人員開(kāi)發(fā)出幾種新型的穿孔等離子弧焊接工藝。本文介紹和評(píng)述這方面的進(jìn)展情況。

小孔狀態(tài)的檢測(cè)

等離子弧焊接過(guò)程中，在恒定工藝參數(shù)情況下，小孔的形成一般經(jīng)過(guò)3個(gè)階段：（1）盲孔階段。在熔池中形成孔洞，但未穿透整個(gè)工件。（2）不穩(wěn)定穿孔。此階段熔池中的孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┱麄€(gè)工件厚度的孔道。但由于小孔剛剛形成，此時(shí)的小孔很不穩(wěn)定，可能在某個(gè)瞬時(shí)再次閉合。（3）準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)穿孔。在這一階段，穿透工件的小孔能夠連續(xù)存在，并且小孔的尺寸也在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

穿孔等離子弧焊時(shí)，小孔的形狀尺寸主要由等離子流的直接沖擊所決定，而不像激光焊或電子束焊那樣，主要依靠母材金屬氣化的反沖作用力形成小孔。穿孔等離子弧焊接質(zhì)量主要依賴于小孔的穩(wěn)定性，而小孔的穩(wěn)定性則是由熔池中的熱-力耦合所決定的。在熔池與小孔動(dòng)態(tài)耦合在一起的穿孔等離子弧焊過(guò)程中，熔池內(nèi)熱量的傳遞和金屬液體的流動(dòng)等物理現(xiàn)象十分復(fù)雜。

在穿孔等離子弧焊接過(guò)程中，小孔、熔池與電弧之間的相互作用對(duì)穩(wěn)定焊接過(guò)程獲得優(yōu)質(zhì)焊縫來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。為獲得高質(zhì)量、無(wú)缺陷的焊縫，小孔狀態(tài)檢測(cè)就成為很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)?？蒲腥藛T為檢測(cè)穿孔等離子弧焊接過(guò)程中小孔的狀態(tài)，開(kāi)發(fā)出多種檢測(cè)方法。

1 尾焰電壓檢測(cè)法

等離子弧焊接過(guò)程中，穿透小孔形成以后，等離子尾焰便會(huì)在工件背面的小孔出口處出現(xiàn)。如果在工件下方放置一個(gè)與工件絕緣的金屬棒作為探測(cè)棒，當(dāng)?shù)入x子弧尾焰接觸到探測(cè)棒時(shí)，就會(huì)在工件與探測(cè)棒之間感應(yīng)出電壓信號(hào)。如果焊接過(guò)程中小孔閉合或消失，則工件和探測(cè)棒之間的等離子尾焰便會(huì)消失，在工件與探測(cè)棒之間就沒(méi)有相應(yīng)的電信號(hào)。因此，根據(jù)探測(cè)到的尾焰電壓信號(hào)可以判斷小孔是否存在及小孔的尺寸變化[11-14]。試驗(yàn)研究表明，隨著焊接電流的增加，等離子弧的熱量及沖擊力均會(huì)有所提高，小孔的孔道尺寸也相應(yīng)增加；透出的尾焰較強(qiáng)，尾焰電壓也會(huì)升高。但是，檢測(cè)等離子尾焰電壓的方法是一種間接的檢測(cè)方法，不能直觀地展示小孔形狀與尺寸的動(dòng)態(tài)變化行為。

2 聲信號(hào)檢測(cè)法

不同焊接工藝條件下，等離子弧會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生熔入、穿孔和燒穿等不同作用。電弧與熔池相互作用的不同狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生不同的聲音信號(hào)。通過(guò)麥克風(fēng)對(duì)焊接時(shí)的聲音信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，可以將這3種狀態(tài)區(qū)分開(kāi)來(lái)[15]。但是，這種檢測(cè)方法可靠性不高，因?yàn)辂溈孙L(fēng)不僅可以采集到電弧-熔池相互作用發(fā)出的聲音，也會(huì)采集到周圍環(huán)境的噪音，這會(huì)對(duì)信號(hào)處理造成干擾。

3 激光頻閃視覺(jué)檢測(cè)法

采用激光頻閃視覺(jué)檢測(cè)方法，可以直接檢測(cè)到小孔的形貌尺寸[16]。在工件的背面采用激光頻閃裝置來(lái)消除尾焰弧光的干擾，同步使用高速攝像機(jī)拍攝背面熔池與小孔的形貌。激光頻閃視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)較為復(fù)雜，裝置體積較大，成本較高。

4 低成本CCD視覺(jué)檢測(cè)法

目前穿孔等離子弧焊的小孔檢測(cè)方法中，低成本CCD視覺(jué)檢測(cè)具有較大應(yīng)用潛力。從工件背面采用AM1101A型CCD相機(jī)拍攝背面小孔，通過(guò)窄帶濾光片（中心波長(zhǎng)665nm，帶寬40nm，透光率85%）和中性濾光片濾光后，可以獲得清晰的背面小孔圖像[17-18]。由于等離子弧焊槍體積較大，從正面觀測(cè)視角很小，采集不到完整的小孔入口。為獲取小孔及熔池的完整形貌，將CCD相機(jī)置于工件背面，采集背面小孔出口的圖像。經(jīng)過(guò)圖像標(biāo)定和圖像處理后，可獲得小孔的形狀尺寸等信息。

采用單一CCD可以同時(shí)采集背面熔池與小孔的圖像。Zhang等在不同時(shí)間測(cè)得小孔與熔池檢測(cè)結(jié)果，這個(gè)焊接試驗(yàn)所用的焊接工藝參數(shù)為：焊接電流170A，焊接速度120mm/min，等離子氣流量2.9L/min，被焊工件為8mm厚304不銹鋼板材。焊接過(guò)程開(kāi)始后，經(jīng)歷了以下6個(gè)階段：（1）未穿孔（盲孔）階段（6.03s之前）；（2）不穩(wěn)定穿孔（6.03～7.7s）；（3）小孔長(zhǎng)大階段（7.73～8.20s）；（4）熔池長(zhǎng)大階段（8.30～10.23s）；（5）準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)穿孔階段（10.27～18.9s）；（6）小孔閉合、熔池凝固階段（18.9s之后）[19]。在第一階段，未形成穿透孔，背面無(wú)法拍攝到小孔圖像，此時(shí)的小孔尺寸為零。小孔剛出現(xiàn)時(shí)，會(huì)在某些瞬間閉合，不能夠穩(wěn)定保持。到達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后，小孔能夠穩(wěn)定保持，并且維持在一定寬度（寬度值在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)）。整個(gè)焊接過(guò)程中，小孔的寬度方向比長(zhǎng)度方向略大。

穿孔等離子弧焊接過(guò)程的控制

檢測(cè)小孔的狀態(tài)的目的是對(duì)穿孔等離子弧焊接過(guò)程進(jìn)行控制，以獲得高質(zhì)量的焊接過(guò)程和焊接質(zhì)量。

1 電流波形控制

穿孔等離子弧焊接過(guò)程中，電流過(guò)小會(huì)導(dǎo)致穿孔無(wú)法形成，電流過(guò)大又會(huì)導(dǎo)致燒穿。針對(duì)這一問(wèn)題肯塔基大學(xué)的Zhang等提出了準(zhǔn)穿孔狀態(tài)[20]。依據(jù)尾焰電壓來(lái)判斷穿孔是否形成，穿孔未形成時(shí)焊接電流維持在峰值，當(dāng)穿孔形成后焊接電流降至基值狀態(tài)。這樣，既能保證工件焊透又避免熔池?zé)┧荨?/p>

針對(duì)全位置焊接的成形問(wèn)題，有人提出了雙脈沖控制方法[21]。其中，兩個(gè)不同的脈沖峰值分別對(duì)應(yīng)穿孔模式和熔入模式，穿孔模式對(duì)應(yīng)較高的峰值電流，熔入模式對(duì)應(yīng)較低的峰值電流。根據(jù)焊接位置需要調(diào)整各峰值的維持時(shí)間，在全位置焊接時(shí)可獲得良好的焊縫成形。

2 基于視覺(jué)傳感的控制

在變極性等離子弧焊接過(guò)程中，采集正面熔池的圖像和信息，提取特征信息后，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，描述熔池尺寸與焊接參數(shù)的關(guān)系，對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行控制[22-23]。

3 基于電信號(hào)的控制

肯塔基大學(xué)Zhang等通過(guò)檢測(cè)電弧反翹角度，來(lái)表征小孔狀態(tài)，控制焊接過(guò)程[24]。山東大學(xué)Jia等通過(guò)檢測(cè)等離子弧的尾焰電壓，間接反映小孔狀態(tài)，通過(guò)改變電流波形，對(duì)等離子弧焊接過(guò)程實(shí)施控制[13]。Saad等通過(guò)檢測(cè)變極性等離子弧焊接的聲音信號(hào)，來(lái)區(qū)分小孔的不同狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的控制[15]。

穿孔等離子弧焊接工藝的新發(fā)展

1 變極性等離子弧焊

航空航天領(lǐng)域多使用鋁合金材料，而鋁合金最大的特點(diǎn)是在大氣環(huán)境中極易形成表面氧化膜。而變極性等離子弧焊接是一種將等離子弧焊接技術(shù)與變極性電源技術(shù)結(jié)合在一起的焊接方法，成功解決了等離子弧焊接應(yīng)用于鋁合金焊接時(shí)所面臨的陰極清理和鎢極燒損之間的矛盾。1978年，美國(guó)Marshall Space Flight Center和Hobart Brothers公司合作研發(fā)出變極性等離子弧焊設(shè)備，應(yīng)用于運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)的燃料儲(chǔ)箱焊接[10,25]。變極性等離子弧焊接所得焊縫質(zhì)量高、幾乎無(wú)缺陷，被美國(guó)宇航局評(píng)價(jià)為無(wú)缺陷焊接方法[26-27]。變極性等離子弧焊因?yàn)榭梢栽谥械群穸蠕X合金板材焊接時(shí)形成穿孔，無(wú)需開(kāi)坡口，無(wú)間隙、填充金屬少，單位時(shí)間的熱輸入量明顯降低。因此其焊接內(nèi)應(yīng)力小，幾乎無(wú)變形，接頭比強(qiáng)度高。變極性等離子弧焊接解決了高強(qiáng)度鋁合金焊接時(shí)常見(jiàn)的熱裂紋和晶間液化裂紋等問(wèn)題[28]。

變極性等離子弧焊接是一種不對(duì)稱方波交流等離子弧焊。由于鋁合金表面存在致密氧化膜，需要采用非熔化鎢極做陽(yáng)極，陰極斑點(diǎn)在工件表面掃動(dòng)，去除工件表面的氧化膜。變極性等離子弧焊的電源是在變極性鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)[6]，焊接電流采用方波交流，通過(guò)調(diào)整電流峰值和導(dǎo)通時(shí)間，可以降低鎢極燒損，增加焊接熔深[29]。為實(shí)現(xiàn)方波交流電，可使用雙電源逆變式、單電源雙逆變式、雙電源雙通道式電路結(jié)構(gòu)。

由于航天裝備朝著大型化方向發(fā)展，并且使用環(huán)境極端，晝夜溫差極大，對(duì)焊縫的可靠性要求很高，加工時(shí)對(duì)焊接裝備的要求也很苛刻。需要在大型筒體上完成縱縫和直縫的變極性等離子弧自動(dòng)焊接，同時(shí)焊縫質(zhì)量需要達(dá)到航天工程Ⅰ級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)[30]。這就對(duì)焊接過(guò)程中的控制精度有著更高的技術(shù)要求，必須要有足夠高的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和抗高頻干擾的能力。同樣對(duì)變極性等離子弧焊接的電源系統(tǒng)也有著更高的要求，可靠性更好、響應(yīng)速度更快，抗干擾能力更強(qiáng)。北京工業(yè)大學(xué)陳樹(shù)君團(tuán)隊(duì)解決了變極性等離子弧焊接電源關(guān)鍵技術(shù)難題，打破發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)變極性等離子弧電源技術(shù)壟斷和封鎖，開(kāi)發(fā)了變極性等離子弧焊接電源并成功應(yīng)用于航天飛行器的制造。他們所研制的鋁合金變極性等離子弧焊接電源包括整流穩(wěn)壓?jiǎn)卧⒖刂茊卧?、逆變單元、變極性單元和維弧單元，電源組成如圖2所示[31]。該電源實(shí)現(xiàn)了模塊化，便于升級(jí)、維護(hù)和維修，可靠性高，人機(jī)交互好，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。

變極性等離子弧焊工作時(shí)，電流極性交替變換，過(guò)零時(shí)間短，電流上升速度大。當(dāng)電流為負(fù)半波時(shí)，鋁合金工件作陰極，但鋁不易發(fā)射電子，因此需要較高的再引燃電壓。一般在鎢極和噴嘴之間設(shè)置維持弧便于主弧正、負(fù)半波的引燃。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，等離子弧反極性期間，由于電弧發(fā)散和電位梯度高等原因，極易發(fā)生主弧、維持弧相互干涉，即“雙弧現(xiàn)象”。一旦形成雙弧，電弧發(fā)散，等離子弧力和電弧電壓幅值大幅下跌，波動(dòng)劇烈從而導(dǎo)致電弧及其壓縮效應(yīng)的不穩(wěn)定[32]。

圖2 模塊化變極性等離子弧焊接電源

針對(duì)“雙弧”問(wèn)題，鄭兵等采用雙通道變極性等離子弧焊接可有效消除主弧、維持弧之間干涉現(xiàn)象。負(fù)半波時(shí)，通過(guò)將做陽(yáng)極的銅噴嘴加工成特定的形狀，從而限制陽(yáng)極斑點(diǎn)的活動(dòng)范圍，降低鎢極燒損，提高電弧的穩(wěn)定性[33]。韓永全等則采用改進(jìn)電源結(jié)構(gòu)；縮短反極性時(shí)間及電流幅值；合理匹配焊接電流與離子氣流量；選擇合適的噴嘴孔徑和鎢極內(nèi)縮量等方法，消除雙弧干擾[32]，同時(shí)有效保證了焊槍噴嘴及鎢極的使用壽命。

變極性等離子弧焊接施焊時(shí)一般選擇立焊和橫焊。由于鋁合金液粘度小、流動(dòng)性強(qiáng)，熔池形成穿孔以后，穿孔熔池的穩(wěn)定性較差。而變極性等離子弧穿孔立焊焊接時(shí)，焊槍垂直立向由下往上運(yùn)動(dòng)，形成貫穿工件的小孔，隨著焊槍的向上行走，小孔向上移動(dòng)，熔融的鋁合金沿著小孔側(cè)壁向下流動(dòng)冷卻后凝固成焊縫。鋁合金液通過(guò)小孔側(cè)壁向下流動(dòng)的過(guò)程中，熔池厚度很薄，利于氫氣逸出，從而使焊縫中出現(xiàn)氫氣孔的概率極低，所得焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)異。同時(shí)，下方焊縫的凝固能支撐上方穿孔熔池的穩(wěn)定保持。立焊時(shí)母材無(wú)需背面強(qiáng)制成形，可以實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，所得焊縫氣孔率極低、密封性好、精度高，是航天領(lǐng)域大型薄壁密封艙體的首選焊接工藝。

但是立焊位置對(duì)工裝及控制精度要求過(guò)高，難以對(duì)大型結(jié)構(gòu)件施焊。變極性等離子弧穿孔橫焊工藝較立焊而言，對(duì)工裝的要求大幅降低，同時(shí)穿孔熔池作用機(jī)制不變，熔池中氫氣容易逸出。但由于重力的作用，穿孔熔池傳熱和溫寬會(huì)發(fā)生偏離現(xiàn)象。陳樹(shù)君等通過(guò)對(duì)焊槍姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，在不改變焊接工藝參數(shù)的前提下，對(duì)溫寬偏離度進(jìn)行校正，減輕重力在焊接過(guò)程中對(duì)焊縫成形的不利影響，在橫焊位置上獲得良好的焊縫成形[34]。

在變極性等離子弧焊的基礎(chǔ)上韓永全等開(kāi)發(fā)了脈沖變極性等離子弧焊、交直流混合變極性等離子弧焊，滿足了不同厚度的鋁合金材料的焊接，平衡了鋁合金氧化膜清理和鎢極燒損的矛盾，也保證了穿孔熔池的穩(wěn)定性，提高了焊縫質(zhì)量[35-36]。

2 柔性穿孔等離子弧焊

哈工大楊春利等設(shè)計(jì)了三孔型的噴嘴，通過(guò)噴嘴上3個(gè)孔的尺寸和位置，可以在保證電弧能量集中程度的基礎(chǔ)上有效降低電弧壓力[37]。

與常規(guī)等離子弧焊相比，柔性電弧壓力顯著降低、電弧能量集中度較高，熱力耦合柔和，能促進(jìn)穿孔熔池的穩(wěn)定建立，可提高小孔的穩(wěn)定性。柔性電弧在焊接方向與其垂直方向壓縮程度不同，形成橢圓形的電弧能量分布。柔性電弧在噴嘴處寬度稍大，工件表面寬度稍小，弧柱區(qū)長(zhǎng)度大、寬度小[38]。這說(shuō)明離子氣和水冷噴嘴對(duì)電弧的拘束作用下降，電弧對(duì)工件的沖擊作用更加柔和。

柔性等離子弧對(duì)熔池的沖擊較小，小孔周圍的熔融金屬液較厚，背面小孔直徑相對(duì)較小。柔性等離子弧焊形成的熔池正面呈橢圓形，剖面成錐形，小孔壁面傾斜較為平緩。由于特殊的噴嘴設(shè)計(jì)，柔性電弧在焊接方向和垂直于焊接方向上的分布不均勻，因此正面熔池呈橢圓形分布，使得焊縫寬度減小，利于橫焊位置上保持小孔的穩(wěn)定性。由于柔性電弧沖擊力小，電弧能量和壓力在工件厚度方向上衰減較大，從而導(dǎo)致背面小孔明顯小于常規(guī)等離子弧焊，能有效促進(jìn)熔化金屬搭橋連接[38]。

柔性等離子弧焊相較于常規(guī)等離子弧焊可以獲得更穩(wěn)定的焊接過(guò)程和穿孔狀態(tài)，橫焊位置所得焊縫質(zhì)量也有顯著改善，適合應(yīng)用于大體積結(jié)構(gòu)件的焊接。

3 受控脈沖穿孔等離子弧焊

在穿孔等離子弧焊過(guò)程中，是否能夠形成小孔，小孔形成后是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，將直接影響到焊縫成形的穩(wěn)定性和焊縫質(zhì)量。由于小孔對(duì)焊接工藝參數(shù)的變化十分敏感，常規(guī)的穿孔等離子弧焊中小孔狀態(tài)不穩(wěn)定，這大大制約了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[39]。

常規(guī)等離子弧焊因?yàn)樾】谞顟B(tài)易受其他因素影響，焊接工藝參數(shù)可選范圍窄。薄板焊接時(shí)，采用“一脈一孔”的脈沖電流控制，能夠在保證穩(wěn)定穿孔的前提下降低熱輸入[40]。焊接過(guò)程中未穿孔時(shí)，焊接電流處于峰值狀態(tài)。小孔形成后焊接電流降至基值狀態(tài)，隨后小孔閉合，避免熔池下塌燒穿。其焊接電流波形如圖3所示。

為拓寬受控脈沖穿孔等離子弧焊的應(yīng)用范圍，山東大學(xué)課題組通過(guò)檢測(cè)等離子尾焰電壓信號(hào)來(lái)確定小孔狀態(tài)，依據(jù)小孔狀態(tài)通過(guò)閉環(huán)控制對(duì)電流波形作出相應(yīng)調(diào)整[41]。受控脈沖穿孔等離子弧焊的電流波形與小孔信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示[41]。

圖3 脈沖穿孔等離子弧焊電流波形

圖4 受控脈沖電流及穿孔信號(hào)

相對(duì)于方波脈沖波形，在焊接電流脈沖后沿增加了2個(gè)下降斜率（K1、K2），通過(guò)控制這 2 個(gè)下降斜率和下降時(shí)間的大小，可以更加靈活地控制熱輸入和小孔的開(kāi)閉。在焊接電流波形變化的一個(gè)完整的脈沖周期內(nèi)，當(dāng)焊接電流在峰值持續(xù)一段時(shí)間后，小孔在t2時(shí)刻形成，則從t2時(shí)刻將焊接電流以一定的斜率降低，此時(shí)小孔由于熱慣性作用會(huì)繼續(xù)長(zhǎng)大[42]；到t3時(shí)刻時(shí)，增大焊接電流降低的斜率，降低熱輸入；在t3～t4這段時(shí)間內(nèi)，小孔尺寸下降，直至閉合；t4～t5這段時(shí)間小孔處于閉合狀態(tài)，t5～t6是基值電流作用時(shí)間，用以維持焊接過(guò)程的進(jìn)行，隨后新的一個(gè)周期開(kāi)始。采用這樣的電流波形控制，焊接過(guò)程中小孔的開(kāi)閉過(guò)渡平穩(wěn)，測(cè)得尾焰電壓信號(hào)呈倒U形，如圖5所示[42]。工件能夠完全熔透且相鄰脈沖形成的熔池可以良好搭接，可得到良好的焊縫成形。

為保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，需要對(duì)其進(jìn)行閉環(huán)控制。以小孔的平均尺寸作為被控量，將表征小孔尺寸的尾焰電壓作為系統(tǒng)的控制目標(biāo)，使其維持在平均尾焰電壓附近，來(lái)保證恒定的小孔尺寸和熔透情況，以確保焊接過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行。

山東大學(xué)課題組等通過(guò)采集背面熔池小孔的圖像，提取特征信息，確定小孔中心偏移量。設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)傳感檢測(cè)的受控脈沖穿孔等離子弧焊接系統(tǒng)[43]，該系統(tǒng)以背面小孔中心偏移量作為小孔狀態(tài)的被控量，以脈沖后沿電流的下降時(shí)長(zhǎng)為控制量，采用專門的預(yù)測(cè)算法。根據(jù)背面小孔中心偏移量預(yù)測(cè)小孔的熱量狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)峰值電流的導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而穩(wěn)定控制小孔的開(kāi)閉過(guò)程，可獲取優(yōu)質(zhì)焊接接頭。

結(jié)束語(yǔ)

穿孔等離子弧焊接是一種具有高能量密度的焊接方法，具有適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)接頭裝配精度要求低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，屬于低成本高效焊接工藝。穿孔等離子弧焊會(huì)在熔池中形成貫穿工件的小孔，小孔與熔池通過(guò)復(fù)雜的熱-力關(guān)系耦合在一起，相互作用。小孔的狀態(tài)對(duì)焊接過(guò)程及焊縫質(zhì)量有重要影響，因此對(duì)小孔狀態(tài)的檢測(cè)與控制就成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)不同材料、不同要求的焊接，科研人員開(kāi)發(fā)出變極性等離子弧焊、柔性穿孔等離子弧焊及受控脈沖穿孔等離子弧焊等新型穿孔等離子焊接工藝，這些新型工藝在航空航天裝備制造領(lǐng)域具有其他焊接工藝所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有很大應(yīng)用潛力和前景。

圖5 受控脈沖穿孔等離子弧焊尾焰電壓波形

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