高强铝合金MIG-VPPA复合焊接机理研究

With widely used in the applications of aerospace, tanks and new armored vehicles, weld quality and efficiency of thick plate high strength aluminum alloy structures get more and more attentions. Pulsed MIG-Variable Polarity Plasma Arc (MIG-VPPA) hybrid thermal source have advantages of arc energy concentration, workpiece’s narrow HAZ and less deformation. It can overcome narrow parameters select range and downhand position of VPPA welding, and shallow penetration and too much heat input of MIG welding. MIG-VPPA hybrid welding system is consist of self developed VPPA welding source, which has high-low frequency modulating pulse waveform output, Fronius TPS5000 digital pulsed welder, S-MIG hybrid welding torch and KUKA-6 welding robot. The law of hybrid arc shape, heat generation mechanism and metal transfer are researched under the affect of double thermal source. Arc spectral characteristic, melting pool behaviors, weld formation of thick plate high strength aluminum alloy, microstructure and its properties are explored under MIG-VPPA hybrid thermal source with high-low frequency modulating pulse waveform output. Welding procedure can be achieved efficiently of 20 mm 7A52 high strength armor aluminum alloy.

随着高强铝合金在航空航天、坦克及新型装甲车制造中的广泛应用，厚板高强铝合金焊接质量及效率问题越来越受到重视。脉冲MIG-变极性等离子弧复合（MIG-VPPA）热源焊接具备等离子弧焊接能量集中，热影响区较窄，变形小和效率高的优点，可弥补单VPPA只能立焊且工艺区间窄，受影响因素多和MIG焊接热输入大、熔深小和变形大的缺点。采用自行研制具有高低频调制脉冲功能的数字化VPPA焊接电源、Fronius TPS5000数字脉冲焊机、以色列S-MIG复合焊枪和KUKA-6机器人组成 “MIG-VPPA”复合焊接系统，研究双热源耦合作用下复合电弧形态、产热机理和熔滴过渡特性的变化规律。探究“MIG -VPPA”复合电弧光谱特性、厚板高强铝合金焊接熔池行为及其焊缝成形机理和高低频调制脉冲对厚板高强铝合金焊缝显微组织及性能的影响机制。实现20 mm 7A52高强铝合金“MIG-VPPA”复合高效焊接新工艺。

熔化极气体保护-变极性等离子弧（MIG-VPPA）复合焊接集VPPA穿透力强 和MIG焊熔敷效率高的优点，弥补了单VPPA焊工艺区间窄且需立焊和MIG焊熔深浅的不足，能够实现厚板高强铝合金高效高质量焊接。.建立了MIG-VPPA复合焊接系统以及由复合电弧热特性、熔滴过渡特性、电弧形态和焊接接头残余应力检测分析等组成的多信息采集分析系统。.采用了基于小波阈值降噪的电弧电压信号近似熵表征了MIG-VPPA复合焊接电弧稳定性变化规律，发现了电弧稳定性随VPPA变极性频率的增加而显著提高；复合电弧电磁耦合特性为，MIG电弧在平行于焊道轴线方向被压缩；在总热量相同的条件下，相比单MIG电弧，MIG-VPPA复合电弧中MIG电弧中心温度提高而边缘温度有所降低；通过在焊枪喷嘴处外加磁头，产生与电弧自身磁感线方向相反的横向交变磁场，使电弧摆动幅度明显减小；等离子电弧与MIG电弧耦合使MIG电弧的阳极斑点面积以及弧柱尺寸收缩，促使熔滴能够获得更大的动量，使熔池表面下凹幅度增加，有利于将过热熔滴携带的能量有效地传递到熔池的底部，易于实现深熔焊接。.理论分析复合热源产热机理的基础上，开发了一种基于SYSWELD的变极性组合体积热源模型，数值分析了MIG-VPPA复合焊接温度场和应力场分布。该热源模型VPPA的正、反极性阶段分别采用了具有不同分布参数的对数曲线旋转体高斯热源模型，能够反映VPPA的正、反极性不同的产热特性和加热效果。MIG电弧的双椭球体热源模型考虑了过热熔滴的具有熔滴热含量以及动能均匀体热源特性，较准确的构建了MIG-VPPA复合焊接热源特性。.分析发现了复合热源耦合效应对焊缝成形以及接头质量的影响机理。VPPA能量比例过低时不能形成小孔效应，VPPA增加熔深作用明显下降；VPPA电流接近穿孔阈值时，复合热源能够避免单VPPA 穿孔焊时易形成切割的弊端，能够获得良好的焊缝成形。由于MIG-VPPA复合焊接电弧对熔池的作用，能够促进结晶过程金属流动，细化晶粒和析出相，降低多层焊因过多热输入对焊接接头产生软化的不利影响。经大量焊接工艺试验，实现了6-10mm厚高强铝合金良好的焊缝成形。焊接效率较单MIG焊接提高2倍，焊接接头抗拉强度提高14.13%。.在项目的资助下，发表了学术论文14篇，其中8篇被SCI收录，12篇被EI收录；授权专利1项；培养研究生9名。