第七章 VPPAW和電渣焊

變極性等離子焊接

VariablePolarityPlasma

ArcWelding－VPPAW與常規(guī)TIG焊相比，PAW具有更優(yōu)秀的工藝品質(zhì)，如對于中厚度（3-20mm）金屬材料，在不填絲、不開坡口、不需背面強(qiáng)制成形保護(hù)條件下，可以實(shí)現(xiàn)單面一次焊雙面良好成形，極大地提高了焊接生產(chǎn)率，尤其適用于密閉容器、小直徑管焊縫等背面難于施焊的結(jié)構(gòu)件。等離子弧焊工藝方法主要有兩種，熔入法和小孔法。當(dāng)被焊工件較薄時(shí)，往往采用熔入法進(jìn)行施焊；當(dāng)被焊工件較厚時(shí)，常采用小孔法進(jìn)行焊接。采用小孔法進(jìn)行焊接時(shí)，等離子弧將工件完全熔透，并在等離子流力的作用下形成一個(gè)穿透工件的小孔，熔化金屬被排擠在小孔周圍、隨著等離子弧在焊接方向上的移動(dòng)，熔化金屬沿著電弧周圍的熔池壁向熔池后方移動(dòng)，并在正反面結(jié)晶成形，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形。

缺點(diǎn)：焊接規(guī)范和工藝參數(shù)匹配范圍窄，焊縫成形穩(wěn)定性差。交流焊鋁鎢極燒損嚴(yán)重，熱效率低。PAW簡單回顧LIBURDILTP400-VP型VPPA焊接電源，變極性頻率0~200Hz，調(diào)制頻率0~1kHz，電流占空比

5~95%。計(jì)算機(jī)通過隔離型HY-6050板（D/A卡）對變極性焊接電源提供0-10V的電壓可設(shè)定正極性電流。DCEP電流按DCEN電流的百分比設(shè)定輸出。

變極性焊接電源變極性焊接電流輸出波形

什么是VPPAW變極性：變極性電源就是正負(fù)半波時(shí)間和正負(fù)半波電流幅值可以任意調(diào)節(jié)的一種特殊的方波電源變極性電源具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：陰極清理去除鋁合金表面氧化膜發(fā)生在負(fù)半波，此時(shí)正離子撞擊氧化膜使之破碎、氣化，隨著半波電流幅值持續(xù)增大，清理作用增強(qiáng)，清理區(qū)寬度增大。在變極性電源中，通過減少負(fù)半波時(shí)間、增大負(fù)半波電流幅值能獲得合理的陰極清理區(qū)寬度，而整個(gè)焊接過程更接近直流鎢極接負(fù)方法，這比常規(guī)的幅值對稱方波電源性能更優(yōu)異。通過研究電流正負(fù)半波時(shí)間對氧化膜清理、母材熔化情況及鎢極燒損情況得影響，可以在保證獲得足夠的陰極清理區(qū)條件下，最大限度地減少鎢極為正的時(shí)間，進(jìn)而減小對鎢極的燒損。變極性等離子電弧焊工藝的主要特點(diǎn)是把等離子弧和變極性兩項(xiàng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來。焊接循環(huán)從正極性開始。正極性時(shí)，電子撞擊工件，工件獲得較大的熱量；負(fù)極性時(shí)，正離子轟擊工件表面，消除了工件表面上的氧化膜和吸附氣體，從而改善了焊接熔池的流動(dòng)性和焊縫質(zhì)量。根據(jù)研究，最佳的極性周期為：工件為正時(shí)間19ms，工件為負(fù)時(shí)間4ms，頻率約為43.5Hz。負(fù)極性半周電流幅值大，時(shí)間短，既可保證足夠的陰極清理作用，又可減少鎢極燒損，增加工件最大熔深。負(fù)半波時(shí)間增大，陰極清理寬度顯著增加，當(dāng)tn：tp=50：6時(shí)，焊縫一側(cè)的富余清理寬度大于3mm，已經(jīng)可以達(dá)到均勻的、合理的陰極清理效果。負(fù)半波時(shí)間增大，熔寬緩慢增加，熔深緩慢下降。陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Tp變化的關(guān)系VPTIG變換不同的負(fù)半波時(shí)間Tp，持續(xù)焊接3min后鎢極燒損程度，隨負(fù)半波時(shí)間的增大，鎢極的燒損越來越嚴(yán)重。變極性TIG焊試驗(yàn)研究

變換Tp試驗(yàn)后的鎢極燒損情況（時(shí)間3min）f)Tp=50msb)Tp=5msc)Tp=10msd)Tp=15mse)Tp=30msa)Tp=0ms負(fù)半波電流幅值的影響變極性TIG焊試驗(yàn)研究

其他參數(shù)固定，隨著負(fù)半波電流幅值的增大，陰極清理區(qū)的寬度顯著增加，熔深、熔寬略有增加。但鎢極的燒損情況并不嚴(yán)重。

陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Ip變化的關(guān)系Ip=120AIp=150AIp=180AIp=210A

VPPA焊接是利用小孔效應(yīng)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形的弧焊方法，用于焊接的轉(zhuǎn)移型等離子弧，其功率密度一般在5×108-5×1010W/m2范圍，由于能量密度大、射流速度高，被歸入高能密度焊接。

小孔效應(yīng)：小孔在等離子流的前方形成，隨后熔池中純凈的熔化金屬將小孔填滿并凝固。這種沖刷作用使工件完全焊透，排除了內(nèi)部缺陷；沖刷的另一附加作用是防止氣體從工件背面進(jìn)入焊縫。焊接時(shí)建立穩(wěn)定的“小孔效應(yīng)”是保證焊接穩(wěn)定性的重要因素。鋁合金變極性等離子小孔焊在水平位置焊接，一次可焊接厚度極限為6mm，且焊接規(guī)范區(qū)間窄，過程不易控制。采用立向上焊接，改變了熔融金屬的受力狀態(tài)，克服了普通方法存在的問題，一次可焊最大厚度達(dá)25mm。VPPAW立向上焊，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷，因此被稱為“零缺陷焊接”。

變極性等離子焊在工藝上具有許多突出的特點(diǎn)：（1）可焊厚度范圍寬。等離子弧熔透能力強(qiáng)，對于6mm厚鋁合金可以實(shí)現(xiàn)各種位置的焊接。研究結(jié)果表明，如果不填充焊絲，平板對焊，單道焊最大厚度是8mm，若焊接更厚的材料，必須采用立焊方法。對于15.9mm以下的鋁合金，采用等離子弧立焊的方法，可以一次性焊透，對于15.9mm以上的鋁合金通常要制備較為復(fù)雜焊接接頭，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了25.4mm厚鋁合金的一次性穿透焊接。（2）可實(shí)現(xiàn)無缺陷焊接。在小孔型等離子弧焊接過程中，等離子弧以及離子氣流穿過小孔起著一定的沖刷作用，在其它焊接方法中殘留在熔化金屬中生成氣孔的氣體會被等離子弧以及離子氣流通過小孔帶走，夾渣也同樣被沖刷掉。（3）焊后工件變形小。由于等離子弧熔透能力強(qiáng)，加熱集中，熔化區(qū)域小，而且小孔型焊接對工件正、反面加熱均勻，減少了焊后工件的撓曲變形，與TIG焊相比工件的撓曲變形明顯減小。（4）效率高、成本低。由于等離子弧能量密度高，穿透能力強(qiáng)，因此，小孔型等離子弧焊可焊厚度大，特別對于厚板焊接，焊道次數(shù)大大減少，焊縫內(nèi)部氣孔、夾渣等缺陷少。焊接接頭變形小，減少了焊后檢驗(yàn)工作和修補(bǔ)工作量，對接頭可采用I型坡口，而且對油污的敏感性小，焊前準(zhǔn)備工作量少，無論是在時(shí)間上還是在費(fèi)用上明顯少于TIG焊和MIG焊，是一種高效率、低成本的焊接方法。由于等離子弧的穩(wěn)定性、熔池液態(tài)金屬的流動(dòng)性、穿孔熔池受力狀態(tài)及平衡性等多方面因素的影響，焊縫成形的穩(wěn)定性較差，對焊接工藝和規(guī)范參數(shù)的變化比較敏感，獲得良好接頭質(zhì)量的合理規(guī)范參數(shù)區(qū)間窄，可采用填雙絲的方式從電弧兩側(cè)等速對稱送絲，以降低單側(cè)送絲速度，提高整個(gè)VPPA焊接過程的穩(wěn)定性。焊接參數(shù)焊接參數(shù)程序曲線（有收?。?/p>

VPPA焊接工藝

參數(shù)多，匹配復(fù)雜，區(qū)間窄離子氣流量的調(diào)節(jié)與控制

控制電壓和氣體流量之間的標(biāo)定曲線

氣體流量控制器

美國BROOKS先進(jìn)的氣體流量控制器MODEL5850E。外部提供0-5V的電壓命令，實(shí)時(shí)控制離子氣流量，氣流平穩(wěn)且?guī)в羞^濾裝置，而且具備快速響應(yīng)的特點(diǎn)。

在土星系列火箭的貯箱以及航天飛機(jī)貯箱中，使用VPPA焊接2219鋁合金，焊縫經(jīng)100％X射線檢測，未發(fā)現(xiàn)任何內(nèi)部缺陷，焊接質(zhì)量比GTAW多層焊明顯提高。在洛-馬公司的新一代貯箱(2195材料)中也采用了VPPA方法，設(shè)備由Hobart公司開發(fā)，在平焊位置焊接筒體縱縫和環(huán)縫。采用的焊槍鎢極不是內(nèi)縮，而是伸出一部分，稱為SPAW(soft-plasmaarc)。在國際空間站的焊接中，VPPA也成為首選的焊接方法。在DeltaV火箭中，貯箱的環(huán)縫和封頭采用了VPPA焊接。

(直徑28英尺，長度154英尺)

VPPAW應(yīng)用情況3mm厚度試板焊接結(jié)果焊道正面

焊道背面

平板堆焊試件

VPPA焊縫成形

正面

背面

對接試件

6mm厚度試板焊接結(jié)果平板對焊試件（LD10）

焊道正面

焊道正面

焊道背面

焊道背面

平板堆焊試件（LD10）

試板焊接-3mm厚度2219試板

焊縫X光檢查a)平板堆焊焊道X光照片b)對縫焊接焊縫X光照片焊縫質(zhì)量-無缺陷焊接1、鋁合金VPPA焊接獲得穩(wěn)定成形需要三個(gè)基本條件：起始穿孔熔池的可靠建立、穿孔熔池的動(dòng)態(tài)保持和穿孔熔池液態(tài)金屬的平衡流動(dòng)。2、最主要的參數(shù)有：焊接電流（包括In、Ip、tn、tp）、離子氣流量、焊接速度、送絲量。必須有嚴(yán)格的匹配，并在焊接中保持?jǐn)?shù)值的穩(wěn)定。3、焊槍噴嘴參數(shù)、電極狀況、噴嘴高度、焊絲對中、工件表面狀態(tài)等對焊接成形及穩(wěn)定性有很大的作用。4、焊件對縫間隙、錯(cuò)邊、散熱條件的變化影響很大。5、鋁合金VPPA立焊焊縫成形穩(wěn)定性遠(yuǎn)不如TIG焊接。要獲得穩(wěn)定的焊縫，必須有好的焊接規(guī)范、穩(wěn)定的焊接工藝和嚴(yán)格的裝備。6、起弧非常重要。主要措施是需要有合適的參數(shù)緩升過程，以電流和離子氣流量聯(lián)合遞增的效果最佳，形成一個(gè)合適的小孔，并順利地轉(zhuǎn)入隨后的主焊接過程。小孔形成后需要掌握好行走、填絲的時(shí)刻。VPPA焊接工藝研究

7、對工件預(yù)熱和形成一個(gè)合適的溫度場也很重要，還需要深入研究。8、對焊接參數(shù)的衰減能夠?qū)崿F(xiàn)收弧弧坑的填滿，但在環(huán)縫最后搭接時(shí)要獲得飽滿的收弧焊縫需要有弧長高度的配合調(diào)節(jié)，需要繼續(xù)探索。9、鋁合金VPPA焊接冷熱裂紋傾向小，未出現(xiàn)焊接裂紋。試板焊接-接頭強(qiáng)度測試機(jī)械性能試板條件：2219，厚度6mm，平板對接焊絲條件：ER2319，直徑1.6mm；試件條件：拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件試件母材應(yīng)力最大負(fù)載

最大應(yīng)力

延伸率

強(qiáng)度系數(shù)1430MPa19.7kN

264.6MPa16.2%61.5%2430MPa20.1kN

266.0MPa15.4%61.9%拉伸試件形貌

VPPA焊縫測試與分析

1)去除了焊縫的加強(qiáng)高后所做拉伸：將試板加工成5mm厚，寬15mm的拉伸試件，即去除了焊縫的加強(qiáng)高后做常溫拉伸。

試板焊接-接頭強(qiáng)度測試2)未去除焊縫的加強(qiáng)高所做拉伸：焊后的試板進(jìn)行X光檢查后做常溫拉伸。

編號厚度

σb/MPaδ5/%6-1-1-16mm281.04.06-1-1-2279.54.06-1-1-3281.54.06-1-1-4281.54.06-1-1-5281.54.0平均281.24.0編號厚度

σb/MPaδ5/%3-1-2-13mm289.05.03-1-2-2274.05.03-1-2-3277.55.53-1-2-4295.55.53-1-2-5284.05.5平均284.05.3常溫狀態(tài)下焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)分別為65.4%和66.1%(母材應(yīng)力為430MPa)，接頭延伸率為4%和5.3%。焊縫測試與分析

主要結(jié)論1、2219鋁合金VPPA焊縫窄、變形小，使用焊縫出現(xiàn)氣孔傾向小。2、焊縫拉伸強(qiáng)度和硬度不是很高，拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到母材的60％~65%左右，硬度可達(dá)母材的70％左右，韌性比較好。3、接頭拉伸強(qiáng)度大于母材的65%，拉伸多出現(xiàn)韌性斷裂，搭縫處機(jī)械性能略低于正常焊縫。4、提高焊縫性能的措施：利用線能量小的焊接工藝，如降低焊接電流、提高焊速，減小熱輸入量；背面加保護(hù)氣、提高焊速等方法提高冷卻速度可以減小凝固區(qū)域，減小產(chǎn)生縮孔的傾向性；焊后人工時(shí)效是提高焊縫性能的措施之一。視覺傳感系統(tǒng)

正反面同步傳感穿孔熔池

VPPA焊縫成形過程控制研究

攝象機(jī)/圖象卡/窄帶濾光片

填絲等離子焊接穿孔熔池圖象

a)

穿孔熔池初始建立時(shí)b)正常焊接過程中c)切割開始時(shí)d)切割過程中從熔池圖象上可以比較清晰地看到熔池的變化過程。如穿孔熔池的建立、正常焊接狀態(tài)、切割的產(chǎn)生。正常焊接時(shí)，圖象上可視小孔上方熔池表面存在一個(gè)灰度明顯增高的區(qū)域，定義為高亮區(qū)。隨著焊接電流的增加可視小孔增大，高亮區(qū)減小?？梢曅】自龃蟮揭欢ǔ潭葧r(shí)，高亮區(qū)消失，焊接過程變成切割。

正反面穿孔熔池圖象特征參數(shù)

對穿孔熔池圖象進(jìn)行處理，獲得可描述穿孔熔池狀態(tài)的特征參數(shù)，用來進(jìn)行焊縫穩(wěn)定成形的控制，也就是通過控制這些參數(shù)的穩(wěn)定來控制焊縫成形的穩(wěn)定。

a）穿孔熔池圖象b）特征參數(shù)示意圖穿孔熔池圖象及特征參數(shù)示意圖正面反面

穿孔熔池圖象處理

去噪聲濾波

對比度增強(qiáng)

邊緣檢測

二值化邊緣點(diǎn)擬合隨后研究了穿孔熔池小孔直徑、可視小孔面積、可視小孔寬度、可視小孔高度隨焊接時(shí)間的變化規(guī)律及關(guān)系。

可視小孔幾何信息與小孔直徑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

模型的輸入?yún)?shù)：可視小孔面積、寬度、高度、小孔邊緣與熔池前沿的兩個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)、小孔邊緣對稱中心線的交點(diǎn)坐標(biāo)模型的輸出參數(shù)：可視小孔直徑網(wǎng)絡(luò)誤差驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：對小孔實(shí)測寬度和BP網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果：根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立的穿孔熔池正面圖象可視小孔幾何信息與可視小孔直徑之間的映射模型，能夠準(zhǔn)確地反映小孔直徑的變化，使利用小孔直徑作為焊縫穩(wěn)定成形的特征信號從而實(shí)現(xiàn)鋁合金VPPA焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制成為可能。變焊接電流堆焊小孔直徑尺寸與網(wǎng)絡(luò)模型輸出比較

送絲速度是鋁合金VPPAW焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制的一個(gè)非常重要的控制變量。因此，首先利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理建立填絲平板堆焊和對接焊條件下焊縫穩(wěn)定成形時(shí)送絲速度與穿孔熔池可視小孔直徑之間的對應(yīng)關(guān)系模型，然后，以這種對應(yīng)關(guān)系模型作為調(diào)節(jié)器的控制策略來實(shí)時(shí)調(diào)整送絲速度從而實(shí)現(xiàn)變散熱條件焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)焊接電流控制策略，配合送絲速度調(diào)節(jié)進(jìn)行變散熱條件焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制研究。

圖象法VPPAW焊縫穩(wěn)定成形閉環(huán)控制

VPPA焊接過程多變量模糊控制系統(tǒng)多變量模糊控制器設(shè)計(jì)變散熱試件照片正面背面變散熱條件下多變量模糊控制變間隙條件下多變量模糊控制變間隙試件照片正面背面變錯(cuò)邊條件下多變量模糊控制變錯(cuò)邊試件照片正面背面正在研究—控制起弧溫度場，從而控制VPPAW焊縫成形簡單、有效、實(shí)用VPPA焊縫成形過程控制研究

1、采用特定中心波長窄帶濾光片、中性減光片和普通CCD攝象機(jī)構(gòu)成的窄帶復(fù)合濾光視覺傳感系統(tǒng)，可以從鋁合金工件正反面提取到清晰的穿孔熔池圖象。2、設(shè)計(jì)的可視小孔邊緣提取方法可以準(zhǔn)確檢測可視小孔的多種幾何信息。圖象獲取和處理所需時(shí)間控制在360ms以內(nèi)，能夠滿足焊縫成形閉環(huán)實(shí)時(shí)控制對圖象處理速度的要求。3、穿孔熔池小孔寬度、高度和面積能夠良好地反映穿孔熔池的行為，能夠區(qū)分穩(wěn)定焊接和焊縫切割過程；從整體趨勢上來看可視小孔面積、寬度、高度等幾何尺寸都能較好地反映小孔的變化趨勢。4、利用所建BP網(wǎng)絡(luò)模型能夠根據(jù)可視小孔幾何信息準(zhǔn)確提取出穿孔熔池的小孔直徑尺寸，堆焊和對接焊時(shí)網(wǎng)絡(luò)模型誤差分別為6.51%和6.64%。主要結(jié)論

5、建立控制器模型，分別以送絲速度、送絲速度與焊接電流聯(lián)合作控制變量，能有效防止焊縫發(fā)生切割，獲得穩(wěn)定的焊縫成形；送絲速度和焊接電流聯(lián)合控制時(shí)焊縫成形穩(wěn)定性更高，小孔直徑的最大變化為1.8mm。6、以目前達(dá)到的研究結(jié)果尚不能完全滿足可靠控制的要求。由于鋁合金VPPA立焊難度大，涉及的影響因素多，尚有許多工作需要繼續(xù)深入去做，如間隙、錯(cuò)邊等的影響，以及設(shè)備的穩(wěn)定性等等。7、要實(shí)現(xiàn)良好的穩(wěn)定的焊接，最基本的是有先進(jìn)的可靠的裝備、再有好的工藝規(guī)范，然后再在控制上提高。正負(fù)半波時(shí)間的影響：變極性電源就是正負(fù)半波時(shí)間和正負(fù)半波電流幅值可以任意調(diào)節(jié)的一種特殊的方波電源，與TIG結(jié)合起來即為變極性TIG焊接工藝，具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。陰極清理去除鋁合金表面氧化膜發(fā)生在負(fù)半波，此時(shí)正離子撞擊氧化膜使之破碎、氣化，隨著半波電流幅值持續(xù)增大，清理作用增強(qiáng)，清理區(qū)寬度增大。在變極性電源中，通過減少負(fù)半波時(shí)間、增大負(fù)半波電流幅值能獲得合理的陰極清理區(qū)寬度，而整個(gè)焊接過程更接近直流鎢極接負(fù)方法，這比常規(guī)的幅值對稱方波電源性能更優(yōu)異。研究電流正負(fù)半波時(shí)間對氧化膜清理、母材熔化情況及鎢極燒損情況得影響，以求在保證獲得足夠的陰極清理區(qū)條件下，最大限度地減少鎢極為正的時(shí)間，進(jìn)而減小對鎢極的燒損。

3.5mm厚的LD10鋁合金，表面堆焊，焊接速度為20cm/min，正負(fù)半波電流幅值均為120A，正半波時(shí)間設(shè)置為50ms，變換負(fù)半波時(shí)間。變極性TIG焊試驗(yàn)研究

負(fù)半波時(shí)間增大，陰極清理寬度顯著增加，當(dāng)tn：tp=50：6時(shí)，焊縫一側(cè)的富余清理寬度大于3mm，即可達(dá)到均勻的陰極清理。負(fù)半波時(shí)間增大，熔寬緩慢增加，熔深緩慢下降。變極性TIG焊試驗(yàn)研究

陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Tp變化的關(guān)系變換不同的負(fù)半波時(shí)間Tp，持續(xù)焊接3min后鎢極燒損程度，隨負(fù)半波時(shí)間的增大，鎢極的燒損越來越嚴(yán)重。變極性TIG焊試驗(yàn)研究

變換Tp試驗(yàn)后的鎢極燒損情況（時(shí)間3min）f)Tp=50msb)Tp=5msc)Tp=10msd)Tp=15mse)Tp=30msa)Tp=0ms負(fù)半波電流幅值的影響變極性TIG焊試驗(yàn)研究

其他參數(shù)固定，隨著負(fù)半波電流幅值的增大，陰極清理區(qū)的寬度顯著增加，熔深、熔寬略有增加。但鎢極的燒損情況并不嚴(yán)重。

陰極清理寬度、熔深、熔寬隨Ip變化的關(guān)系Ip=120AIp=150AIp=180AIp=210A

在鎢極氬弧焊工藝中，保持鎢極短頭形狀的穩(wěn)定性，減少燒損變形，對于電弧的穩(wěn)定燃燒和焊接質(zhì)量有很大的影響。一個(gè)新磨的鎢極采用交流氬弧焊連續(xù)焊接300mm焊縫后，就不能保證工件焊透。鎢極的尖端破壞與電極的開花及結(jié)瘤有關(guān)系，亦與鎢極的加熱和冷卻有很大的關(guān)系。采用負(fù)半波大電流、小時(shí)間，正半波時(shí)間相對較長這種規(guī)范有利于保持鎢極的端頭形狀，使變極性電源采用高度不對稱的方波焊接時(shí)在減少鎢極的燒損方面有獨(dú)特的優(yōu)越性。正半波幅值和時(shí)間對焊縫成形的影響很大，固定工件的負(fù)半波時(shí)間，也就固定了電弧負(fù)半波的能量，而增加正半波的時(shí)間(其幅值固定)或增加正半波幅值(其時(shí)間固定)，也就增加正半波電弧的能量，焊縫正反面的寬度減小，工件的熔透程度降低。變極性TIG焊試驗(yàn)研究

變極性頻率：對陰極清理、熔深、熔寬沒有明顯影響。焊縫成形：a）焊縫正面

b）焊縫正面焊縫成形情況

對3.5mm厚LD10鋁合金，用不銹鋼墊板以減少熱散失，加大熔深。在適當(dāng)?shù)膮?shù)下，焊縫成形良好，背面完全熔合，達(dá)到單面焊雙面成形。

變極性TIG焊試驗(yàn)研究

X射線檢測：焊縫中稀疏的存在一些氣孔。焊縫X射線檢測照片

對3.5mm厚LD10鋁合金（310MPa），接頭最大應(yīng)力為母材的69.2％，延伸率達(dá)到母材的51.2％。接頭拉伸性能及斷口

VPTIG主要結(jié)論

1、變極性TIG焊接鋁合金時(shí)，負(fù)半波電流幅值、時(shí)間值的增大都會使陰極清理區(qū)的寬度增大，負(fù)半波電流值的影響更大。在相同的極性時(shí)寬比下，頻率對于清理區(qū)寬度影響不大。氣流量對清理區(qū)寬度的影響可忽略。2、相同的負(fù)半波電流時(shí)間乘積下（Ip×Tp=常數(shù)），隨著電流的減小、時(shí)間的增加，工件的焊縫寬度減少。3、焊接速度增加時(shí)，電弧的線能量相對減少而使得陰極清理作用相對減弱，陰極清理區(qū)的寬度相對減少，焊縫寬度也適當(dāng)減少。4、3.5mm厚LD10鋁合金變極性TIG焊，焊縫中有少量氣孔存在，氣孔量多于VPPA焊接。5、LD10鋁合金變極性TIG焊焊縫強(qiáng)度高于VPPA焊接焊縫強(qiáng)度。VPTIG焊接鋁合金特點(diǎn)（1）焊鋁時(shí)電弧穩(wěn)定，電流過零點(diǎn)時(shí)重新引弧容易，不必加特殊穩(wěn)弧器；（2）通過調(diào)節(jié)正負(fù)半波時(shí)間比、幅值比，在保證陰極霧化作用的條件下，最大限度地減少鎢極為正的時(shí)間使電弧具有直流負(fù)極性特點(diǎn)，從而獲得較大的熔深，提高了生產(chǎn)率和延長鎢極的壽命；（3）由于采用計(jì)算機(jī)編程，直流正接脈沖和基值電流、脈沖頻率、脈沖循環(huán)周期、直流反接焊接電流、直流反接循環(huán)周期、引弧電流、收弧電流、緩升時(shí)間、緩降時(shí)間等都是可以調(diào)節(jié)的?？梢苑奖憧刂戚敵鲭娏?，而且對于自動(dòng)模式和手動(dòng)模式來說都是在微處理器的控制之下。（4）陰極清理去除表面氧化膜是鋁合金焊接中重要的一環(huán)，只有充分地去除焊道附近的氧化膜，才有可能獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。在變極性TIG焊接鋁合金時(shí)，陰極清理作用只發(fā)生負(fù)半波，與負(fù)半波時(shí)間和電流幅值有關(guān)，而在正半波沒有去除鋁板表面氧化膜的作用。電渣焊1950年，前蘇聯(lián)發(fā)明。利用電流通過液態(tài)熔渣產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。熔渣：熔融的鹽和氧化物。兩個(gè)池：渣池和熔池，合適的渣池深度是獲得良好焊縫的重要條件。焊絲在自身電阻熱和渣池?zé)岬淖饔孟氯刍?，形成熔滴，穿過渣池進(jìn)入熔池。在垂直或接近垂直位置施焊。為保持熔池形狀，強(qiáng)制焊縫成型，接頭兩側(cè)使用水冷銅滑塊（或一側(cè)使用固定墊板，用于長焊縫）作為成形器具，防止熔渣流失。銅滑塊開有槽，保證焊縫具有一定余高。高溫錐體：熔渣的電導(dǎo)率與成分有關(guān)，且隨溫度升高而增大。焊絲金屬的導(dǎo)電率比高溫熔渣的電導(dǎo)率高很多，因此電流主要是通過焊絲末端流向渣池，焊絲末端電流密度最大，通過焊絲側(cè)壁的電流很小，熔池表面處電流密度最小。這樣，在焊絲下部和熔池之間的這部分渣形成一個(gè)高溫錐體，電流主要流經(jīng)這部分渣，溫度最高，電導(dǎo)率也最高。渣池最高溫度約為2200K，位于渣池表面下30mm左右焊絲的端部，見下圖；最低溫度約為2000K，位于渣池表面。渣池內(nèi)部有劇烈的渦流，使整個(gè)渣池溫度相對比較均勻。渦流同時(shí)也使渣池流動(dòng)，熱量帶到周邊，使母材金屬熔化，進(jìn)入熔池。隨焊接的進(jìn)行，液面不斷升高，熔池金屬不斷冷卻形成焊縫。過程中，機(jī)頭必須隨液面上升，但要保證導(dǎo)電嘴與液面之間的相對高度不變。圖a溫差對流（浮力）作用，圖b電磁力作用電磁力的作用更大，形成渦流，沖刷熔化工件邊緣，形成第一張圖所示的焊縫形狀電磁力還使渣池凹陷，且凹陷深度隨送絲速度（電流）增大而增大，熔池深度也因而增大，焊絲熔化效率提高。渣池受力分析電渣焊冶金結(jié)晶特點(diǎn)電渣焊熱源（渣池）溫度比電弧低很多，但焊接速度低，功率與埋弧焊相接近，所以線能量比埋弧焊高很多，熱影響區(qū)寬，冷卻速度低，焊縫區(qū)和母材高溫停留時(shí)間長。焊縫一次結(jié)晶組織為粗大的鑄造組織（0-1級樹枝晶），熱影響區(qū)過熱嚴(yán)重。焊接低碳鋼，焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大魏氏體組織，沖擊韌性低。通常焊后進(jìn)行正火和隨后的回火熱處理。電渣焊縫容易出現(xiàn)對生柱狀晶，焊縫中心偏析嚴(yán)重，熱裂敏感性大。適當(dāng)加大焊接速度，可以提高結(jié)晶速度，減小一次晶粒的尺寸，改善焊縫的塑性?？梢约尤胱冑|(zhì)劑（鈦、鋁、鋯、釩等）細(xì)化晶粒。電渣焊焊劑要求：

1.合適的導(dǎo)電率。導(dǎo)電率影響熱輸入和熔透程度，太低不導(dǎo)電，無法焊接；太高，易打??；

2.合適的粘度。太稀，渣池和熔池易流失；太粘，會將銅滑塊推開，同時(shí)容易形成咬邊；（SiO2使電導(dǎo)率降低，粘度增大；CaF2、TiO2等使電導(dǎo)率增大，粘度降低。）

3.合適的沸點(diǎn)。沸點(diǎn)低，容易產(chǎn)生電弧，破壞焊接過程穩(wěn)定性并形成飛濺；

4.脫渣性好、低煙塵、無毒。焊劑選擇：焊接較小工件，功率小，渣池體積小，選用熔點(diǎn)低、粘度小、導(dǎo)電性好的焊劑；反之亦然。焊接過程中要不時(shí)補(bǔ)充少量新焊劑，以補(bǔ)償渣的損失（形成渣殼），維持渣池深度不變。隨焊接過程進(jìn)行，冶金反應(yīng)產(chǎn)物積聚在渣池中，渣的成分與焊劑成分差別越來越大。一般用含錳焊絲焊鋼時(shí)，渣中MnO、FeO含量增大，其中FeO含量可能增大四倍?？蛇\(yùn)用N2、Ar保護(hù)。焊鈦合金，需用Ar保護(hù)。電渣焊電極形式：絲極、板極、管極、熔嘴絲極：一般為直徑3mm焊絲，有一定挺度焊接低碳鋼時(shí)，應(yīng)選用含錳焊絲或硅錳焊絲保證焊縫強(qiáng)度可以多種成分焊絲共用，調(diào)整焊縫成分電渣焊的優(yōu)點(diǎn)1.適用范圍廣，電渣過程可用于焊接、堆焊、補(bǔ)焊，還可用于金屬精煉；2.使用金屬種類多，各種鋼鐵之外，還可用于焊接鋁、鎂、鈦、銅合金等；3.適于厚大件的焊接，生產(chǎn)效率高；4.不需開坡口，只要保證一定的裝配間隙即可；多數(shù)情況下間隙要保持上寬下窄的形狀，以補(bǔ)償焊接收縮變形；5.能耗低（與埋弧焊相比）；6.熔池凝固速率低，氣孔、夾渣易浮出；7.熱容量大，對電流斷時(shí)變化甚至中斷不敏感；焊接容易淬火鋼時(shí)，產(chǎn)生淬火裂紋傾向小。8.大部分情況下，不需預(yù)熱。電渣焊過程分為建立渣池、正常焊接、收尾三個(gè)階段

1.建立渣池：在起焊槽內(nèi)進(jìn)行

1）利用“焊劑170”（固態(tài)導(dǎo)電）建立渣池：在起焊槽內(nèi)灑入一層焊劑170，焊絲和焊劑接觸，利用電阻熱熔化后，加入正常焊接焊劑；

2）在起焊槽內(nèi)灑入一層正常焊接焊劑和鐵屑，引燃電弧加熱使焊劑熔化，渣池達(dá)到一定深度后轉(zhuǎn)入正常焊接。2.正常焊接階段：定期檢查渣池，均勻添加焊劑，防止漏渣、漏水。3.收尾階段：在引出板內(nèi)進(jìn)行，采用斷續(xù)送絲和逐漸減小焊接規(guī)范的方式進(jìn)行，防止縮孔和火口裂紋；結(jié)束后不要把渣立即放掉，以免產(chǎn)生裂紋。焊后及時(shí)切除引出部位（該部位縮孔、裂紋、雜質(zhì)等較多），防止一旦產(chǎn)生裂紋，擴(kuò)展到焊縫上。焊接結(jié)束后切除Π形鐵。工藝因素對電渣焊的影響1.電流：電流增大，熱功率增大，電流與自身磁場作用增大，渣池流動(dòng)加快，凹陷深度增大，熔深熔寬皆增大，但有一個(gè)限度，超過一定值，I增大，熔深熔寬開始減??；2.電壓：電壓增大，熱功率增大，熔深熔寬稍有增大；電壓過高，易打弧，破壞穩(wěn)定，造成未焊透；電壓過小，焊絲與熔池短路，引起渣的飛濺，危險(xiǎn)；3.渣池深度：對熔池寬度影響大，渣池深度增大，熔池寬度減小，深度也稍有減小，因?yàn)闊崃可⑷牍ぜ校?.間隙寬度：間隙寬度增大，熔池深度基本不變，寬度增大。其它參數(shù)不變，間隙寬度增大，線能量要變大；間隙一般為25-40mm，過小，易打弧，導(dǎo)向困難；5.干伸長L：從導(dǎo)電嘴到渣池表面的距離。影響不大，L增大，熔池寬度深度減小。L過大需導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，L過小，導(dǎo)電嘴容易過熱；6.焊絲數(shù)目n：n增大，電流、功率增大，熔池深寬增大，焊接速度也要增大；渣池深度也要增大，以免過熱；7.焊絲擺動(dòng)：單根焊絲，焊縫斷面呈現(xiàn)腰鼓形，中間寬兩端窄，由于兩端的冷卻裝置所致，焊絲擺動(dòng)，焊縫成型均勻。電渣焊電源多采用交流電源，多絲時(shí)用三相電源，減小對電網(wǎng)的沖擊，使電網(wǎng)三相負(fù)荷均勻；小焊縫可用直流電源，更平穩(wěn)；一般用平特性電源，下降特性也可用；因?yàn)殡娫覆恍枰叩目蛰d電壓，并且平特性電源對電網(wǎng)電壓波動(dòng)不敏感，而電壓穩(wěn)定是獲得高質(zhì)量的電渣焊縫的重要條件；平特性電源匹配等速送絲，調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)送絲速度即可調(diào)節(jié)電流。電渣焊常見缺陷常見缺陷：1.裂紋：焊縫中心或晶界上，一般不延伸的表面（奧氏體鋼除外）。探測返修困難。與雜質(zhì)偏析和拘束、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。應(yīng)限制碳、硫、磷含量，并避免剛性過大的焊縫；2.氣孔：一般很少。多為氫氣孔和CO氣孔。關(guān)鍵是防止漏水（很危險(xiǎn)），焊前清理干凈，烘干焊劑，石棉泥堵漏時(shí)，不要太潮濕；3.夾渣：規(guī)范變動(dòng)較大或過程不穩(wěn)定時(shí)，母材熔深突然減小，容易形成滯留性夾渣。4.未焊透：送絲不穩(wěn)、規(guī)范不當(dāng)（功率不足）或波動(dòng)、漏渣等易產(chǎn)生這種缺陷。電渣焊的應(yīng)用廣泛應(yīng)用于鍋爐制造、重型機(jī)械、石油化工等行業(yè)。從根本上改善了大型結(jié)構(gòu)的制造和安裝過程，可用鑄-焊、鍛-焊代替大型鑄件、鍛件，減少鑄鍛車間和裝備。前一個(gè)階段電渣焊研究、應(yīng)用走入低谷，有被SAW、MAW取代的趨勢，但近年來應(yīng)用又逐漸多起來例：雷峰塔的重建，很多大型建筑物的鋼骨架等環(huán)焊縫電渣焊簡介