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。為了更好地開展空天探索開發(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選擇低密度、高強度、對極端使用環(huán)境適應(yīng)性強的材料。鋁合金由于具有密度低、比強度高、成形性好、斷裂韌度高、疲勞強度高、低溫性能好、耐腐蝕且無磁性等優(yōu)點，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，焊接時易出現(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)瓶頸對航空航天事業(yè)的向前推進有著重要的意義。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，但熔化焊接工藝仍具有不可替代性。因為鋁合金的特殊物理性能，鋁合金焊接時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，但是電子束焊需要在真空的環(huán)境中進行，激光焊時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，對焊接工件的裝配精度要求高，適應(yīng)性不夠強。而穿孔等離子弧焊接具有成本低、操作方便和適應(yīng)性強等特點，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。等離子弧焊槍的特殊構(gòu)造會對電弧施加機械壓縮、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11000℃以上）[4-5]。由于噴嘴孔徑的減小，等離子體的流速可達300～2000m/s，能量密度能夠達到 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量，因此可以將熔池前端熔融的金屬液排開形成小孔。隨著焊槍的移動，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]。在焊接過程中，小孔的動態(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。針對這些問題，近幾年來國內(nèi)外的焊接科研人員開發(fā)出幾種新型的穿孔等離子弧焊接工藝。本文介紹和評述這方面的進展情況。

小孔狀態(tài)的檢測

等離子弧焊接過程中，在恒定工藝參數(shù)情況下，小孔的形成一般經(jīng)過3個階段：（1）盲孔階段。在熔池中形成孔洞，但未穿透整個工件。（2）不穩(wěn)定穿孔。此階段熔池中的孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)樨灤┱麄€工件厚度的孔道。但由于小孔剛剛形成，此時的小孔很不穩(wěn)定，可能在某個瞬時再次閉合。（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，處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

穿孔等離子弧焊時，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。在熔池與小孔動態(tài)耦合在一起的穿孔等離子弧焊過程中，熔池內(nèi)熱量的傳遞和金屬液體的流動等物理現(xiàn)象十分復(fù)雜。

在穿孔等離子弧焊接過程中，小孔、熔池與電弧之間的相互作用對穩(wěn)定焊接過程獲得優(yōu)質(zhì)焊縫來說是至關(guān)重要的。為獲得高質(zhì)量、無缺陷的焊縫，小孔狀態(tài)檢測就成為很重要的一個環(huán)節(jié)。科研人員為檢測穿孔等離子弧焊接過程中小孔的狀態(tài)，開發(fā)出多種檢測方法。

1 尾焰電壓檢測法

等離子弧焊接過程中，穿透小孔形成以后，等離子尾焰便會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與工件絕緣的金屬棒作為探測棒，當(dāng)?shù)入x子弧尾焰接觸到探測棒時，就會在工件與探測棒之間感應(yīng)出電壓信號。如果焊接過程中小孔閉合或消失，則工件和探測棒之間的等離子尾焰便會消失，在工件與探測棒之間就沒有相應(yīng)的電信號。因此，根據(jù)探測到的尾焰電壓信號可以判斷小孔是否存在及小孔的尺寸變化[11-14]。試驗研究表明，隨著焊接電流的增加，等離子弧的熱量及沖擊力均會有所提高，小孔的孔道尺寸也相應(yīng)增加；透出的尾焰較強，尾焰電壓也會升高。但是，檢測等離子尾焰電壓的方法是一種間接的檢測方法，不能直觀地展示小孔形狀與尺寸的動態(tài)變化行為。

2 聲信號檢測法

不同焊接工藝條件下，等離子弧會對工件產(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，會產(chǎn)生不同的聲音信號。通過麥克風(fēng)對焊接時的聲音信號進行檢測分析，可以將這3種狀態(tài)區(qū)分開來[15]。但是，這種檢測方法可靠性不高，因為麥克風(fēng)不僅可以采集到電弧-熔池相互作用發(fā)出的聲音，也會采集到周圍環(huán)境的噪音，這會對信號處理造成干擾。

3 激光頻閃視覺檢測法

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

4 低成本CCD視覺檢測法

目前穿孔等離子弧焊的小孔檢測方法中，低成本CCD視覺檢測具有較大應(yīng)用潛力。從工件背面采用AM1101A型CCD相機拍攝背面小孔，通過窄帶濾光片（中心波長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相機置于工件背面，采集背面小孔出口的圖像。經(jīng)過圖像標(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可以同時采集背面熔池與小孔的圖像。Zhang等在不同時間測得小孔與熔池檢測結(jié)果，這個焊接試驗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。焊接過程開始后，經(jīng)歷了以下6個階段：（1）未穿孔（盲孔）階段（6.03s之前）；（2）不穩(wěn)定穿孔（6.03～7.7s）；（3）小孔長大階段（7.73～8.20s）；（4）熔池長大階段（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，背面無法拍攝到小孔圖像，此時的小孔尺寸為零。小孔剛出現(xiàn)時，會在某些瞬間閉合，不能夠穩(wěn)定保持。到達準(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）。整個焊接過程中，小孔的寬度方向比長度方向略大。

穿孔等離子弧焊接過程的控制

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

1 電流波形控制

穿孔等離子弧焊接過程中，電流過小會導(dǎo)致穿孔無法形成，電流過大又會導(dǎo)致燒穿。針對這一問題肯塔基大學(xué)的Zhang等提出了準(zhǔn)穿孔狀態(tài)[20]。依據(jù)尾焰電壓來判斷穿孔是否形成，穿孔未形成時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>

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

2 基于視覺傳感的控制

在變極性等離子弧焊接過程中，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，對焊接過程進行控制[22-23]。

3 基于電信號的控制

肯塔基大學(xué)Zhang等通過檢測電弧反翹角度，來表征小孔狀態(tài)，控制焊接過程[24]。山東大學(xué)Jia等通過檢測等離子弧的尾焰電壓，間接反映小孔狀態(tài)，通過改變電流波形，對等離子弧焊接過程實施控制[13]。Saad等通過檢測變極性等離子弧焊接的聲音信號，來區(qū)分小孔的不同狀態(tài)，實現(xiàn)對焊接過程的控制[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)用于鋁合金焊接時所面臨的陰極清理和鎢極燒損之間的矛盾。1978年，美國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)用于運載火箭和航天飛機的燃料儲箱焊接[10,25]。變極性等離子弧焊接所得焊縫質(zhì)量高、幾乎無缺陷，被美國宇航局評價為無缺陷焊接方法[26-27]。變極性等離子弧焊因為可以在中等厚度鋁合金板材焊接時形成穿孔，無需開坡口，無間隙、填充金屬少，單位時間的熱輸入量明顯降低。因此其焊接內(nèi)應(yīng)力小，幾乎無變形，接頭比強度高。變極性等離子弧焊接解決了高強度鋁合金焊接時常見的熱裂紋和晶間液化裂紋等問題[28]。

變極性等離子弧焊接是一種不對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極，陰極斑點在工件表面掃動，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[6]，焊接電流采用方波交流，通過調(diào)整電流峰值和導(dǎo)通時間，可以降低鎢極燒損，增加焊接熔深[29]。為實現(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，對焊縫的可靠性要求很高，加工時對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焊接，同時焊縫質(zhì)量需要達到航天工程Ⅰ級焊縫標(biāo)準(zhǔn)[30]。這就對焊接過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)、動態(tài)穩(wěn)定性和抗高頻干擾的能力。同樣對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。北京工業(yè)大學(xué)陳樹君團隊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)達國家對變極性等離子弧電源技術(shù)壟斷和封鎖，開發(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)壓單元、控制單元、逆變單元、變極性單元和維弧單元，電源組成如圖2所示[31]。該電源實現(xiàn)了模塊化，便于升級、維護和維修，可靠性高，人機交互好，達到國外同類產(chǎn)品的水平。

變極性等離子弧焊工作時，電流極性交替變換，過零時間短，電流上升速度大。當(dāng)電流為負(fù)半波時，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“雙弧”問題，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，通過將做陽極的銅噴嘴加工成特定的形狀，從而限制陽極斑點的活動范圍，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電源結(jié)構(gòu)；縮短反極性時間及電流幅值；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一般選擇立焊和橫焊。由于鋁合金液粘度小、流動性強，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，焊槍垂直立向由下往上運動，形成貫穿工件的小孔，隨著焊槍的向上行走，小孔向上移動，熔融的鋁合金沿著小孔側(cè)壁向下流動冷卻后凝固成焊縫。鋁合金液通過小孔側(cè)壁向下流動的過程中，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)量優(yōu)異。同時，下方焊縫的凝固能支撐上方穿孔熔池的穩(wěn)定保持。立焊時母材無需背面強制成形，可以實現(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。

但是立焊位置對工裝及控制精度要求過高，難以對大型結(jié)構(gòu)件施焊。變極性等離子弧穿孔橫焊工藝較立焊而言，對工裝的要求大幅降低，同時穿孔熔池作用機制不變，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發(fā)生偏離現(xiàn)象。陳樹君等通過對焊槍姿態(tài)進行調(diào)整，在不改變焊接工藝參數(shù)的前提下，對溫寬偏離度進行校正，減輕重力在焊接過程中對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)計了三孔型的噴嘴，通過噴嘴上3個孔的尺寸和位置，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)長度大、寬度小[38]。這說明離子氣和水冷噴嘴對電弧的拘束作用下降，電弧對工件的沖擊作用更加柔和。

柔性等離子弧對熔池的沖擊較小，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，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)等離子弧焊因為小孔狀態(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，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]。焊接過程中未穿孔時，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)課題組通過檢測等離子尾焰電壓信號來確定小孔狀態(tài)，依據(jù)小孔狀態(tài)通過閉環(huán)控制對電流波形作出相應(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的對應(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

相對于方波脈沖波形，在焊接電流脈沖后沿增加了2個下降斜率（K1、K2），通過控制這 2 個下降斜率和下降時間的大小，可以更加靈活地控制熱輸入和小孔的開閉。在焊接電流波形變化的一個完整的脈沖周期內(nèi)，當(dāng)焊接電流在峰值持續(xù)一段時間后，小孔在t2時刻形成，則從t2時刻將焊接電流以一定的斜率降低，此時小孔由于熱慣性作用會繼續(xù)長大[42]；到t3時刻時，增大焊接電流降低的斜率，降低熱輸入；在t3～t4這段時間內(nèi)，小孔尺寸下降，直至閉合；t4～t5這段時間小孔處于閉合狀態(tài)，t5～t6是基值電流作用時間，用以維持焊接過程的進行，隨后新的一個周期開始。采用這樣的電流波形控制，焊接過程中小孔的開閉過渡平穩(wěn)，測得尾焰電壓信號呈倒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。

為保證焊接過程的穩(wěn)定性，需要對其進行閉環(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，來保證恒定的小孔尺寸和熔透情況，以確保焊接過程穩(wěn)定進行。

山東大學(xué)課題組等通過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)計了基于視覺傳感檢測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長為控制量，采用專門的預(yù)測算法。根據(jù)背面小孔中心偏移量預(yù)測小孔的熱量狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)峰值電流的導(dǎo)通時長，進而穩(wěn)定控制小孔的開閉過程，可獲取優(yōu)質(zhì)焊接接頭。

結(jié)束語

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、對接頭裝配精度要求低、操作簡便等優(yōu)點，屬于低成本高效焊接工藝。穿孔等離子弧焊會在熔池中形成貫穿工件的小孔，小孔與熔池通過復(fù)雜的熱-力關(guān)系耦合在一起，相互作用。小孔的狀態(tài)對焊接過程及焊縫質(zhì)量有重要影響，因此對小孔狀態(tài)的檢測與控制就成為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對不同材料、不同要求的焊接，科研人員開發(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特優(yōu)勢，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

[1] 王亞軍, 盧志軍. 焊接技術(shù)在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展建議. 航空制造技術(shù) , 2008(16)： 26-31.

[2] 張文毓. 鋁合金焊接技術(shù)研究進展.輕金屬 , 2010(4)： 53-56.

[3] WU C S. Welding thermal processes and weld pool behaviors. Boca Raton： CRC Press/Taylor & Francis Group, 2010.

[4] METCALFE J, QUIGLEY M. Heat transfer in plasma-arc welding. Welding Journal,1975, 54(3)： 99-103.

[5] LANCASTER J F. The physics of welding. Physics in Technology, 1984, 15(2)： 73.

[6] CRAIG E. Plasma arc process — A review. Welding Journal. 1988,67(2)：19-25.

[7] TOMSIC M, BARHORST S. Keyhole plasma arc welding of aluminum with variable polarity power. Welding Journal, 1984, 63(2)： 25-32.

[8] METCALFE J, QUIGLEY M. Keyhole stability in plasma arc welding. Welding Journal,1975, 54(11)： 401-404.

[9] 陳裕川. 等離子弧焊技術(shù)的新發(fā)展(一 ). 現(xiàn)代焊接 , 2008(8)： 5-10.

[10] NUNES A. Variable polarity plasma arc welding on the space shuttle external tank.Welding Journal, 1984, 63(4)： 27-35.

[11] STEFFENS H, KAYSER H.Automatic control for plasma arc welding.Welding Journal, 1972, 51(6)： 408-418.

[12] ZHANG S, ZHANG Y. Efflux plasma charge-based sensing and control of joint penetration during keyhole plasma arc welding.Welding Journal, 2001, 80(7)： 157-162.

[13] JIA C B, WU C S, ZHANG Y M.Sensing controlled pulse key-holing condition in plasma arc welding. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2009, 19(2)： 341-346.

[14] WU C, JIA C, CHEN M. A control system for keyhole plasma arc welding of stainless steel plates with medium thickness. Welding Journal, 2010, 89(11)： 225-231.

[15] SAAD E, WANG H, KOVACEVIC R. Classification of molten pool modes in variable polarity plasma arc welding based on acoustic signature. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 174(1)： 127-136.

[16] ZHANG, Y M, ZHANG S B.Observation of the keyhole during plasma arc welding. Welding Journal. 1999,78(2)：53S-28.

[17] LIU Z, WU C S, GAO J. Visionbased observation of keyhole geometry in plasma arc welding. International Journal of Thermal Sciences, 2013, 63： 38-45.

[18] LIU Z, WU C, CHEN M. Visualizing the influence of the process parameters on the keyhole dimensions in plasma arc welding.Measurement Science and Technology, 2012,23(10)： 105603.

[19] ZHANG G, WU C S, LIU X. Single vision system for simultaneous observation of keyhole and weld pool in plasma arc welding.Journal of Materials Processing Technology, 2015,215： 71-78.

[20] ZHANG YM, LIU Y. Modeling and control of quasi-keyhole arc welding process.Control Engineering Practice, 2003, 11(12)：1401-1411.

[21] LI X, SHAO Z, ZHANG Y. Double stage plasma arc pipe welding process. Welding.Journal, 2012, 91： 346-353.

[22] ZHENG B, WANG H J, WANG QI,et al. Control for weld penetration in VPPAW of aluminum alloys using the front weld pool image signal. Welding Journal, 2000,79： 363-371.

[23] WANG H, KOVACEVIC R. Online monitoring of the keyhole welding pool in variable polarity plasma arc welding. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B： Journal of Engineering Manufacture, 2002,216(9)： 1265-1276.

[24] ZHANG Y, MA Y. Stochastic modelling of plasma reflection during keyhole arc welding. Measurement Science and Technology,2001, 12(11)： 1964-1975.

[25] BOSWORTH T J, MILLER C M,GRIFFEE C C. Welding the space station common module prototype. Space Congress Proceedings. 1988：5-41.

[26] 陳樹君.變極性等離子弧穿孔立焊工藝及裝備.金屬加工(熱加工),2013(S2)：89-90.

[27] 唐介正. 美國航天飛機鋁合金外貯箱的制造技術(shù). 航天工藝, 1989(2)： 6-14.

[28] 滿伯倩, 張鐵. 變極性等離子弧焊設(shè)備及其鋁合金焊接工藝研究. 上海航天,2006, 23(2)： 61-64.

[29] WU C, WANG L, REN W, et al.Plasma arc welding： Process, sensing, control and modeling. Journal of Manufacturing Processes,2014, 16(1)： 74-85.

[30] 鐘亦. 為“天宮一號”目標(biāo)飛行器穿衣的“縫紉機”—“焊研科技”與北京工業(yè)大學(xué)成功合作的典范之作. 現(xiàn)代焊接,2012(8)： 1-2.

[31] 韓永全, 呂耀輝, 陳樹君,等. 鋁合金變極性等離子焊接電源的模塊化設(shè)計.電焊機 , 2005(8)： 54-56.

[32] 韓永全, 許萍, 杜茂華,等. 變極性等離子雙弧及其控制. 機械工程學(xué)報,2011, 47(4)： 42-45.

[33] 鄭兵, 王其隆. 方波交流等離子弧立焊主維弧干涉原因及解決措施. 焊接學(xué)報,1995, 16(1)： 1-8.

[34] 陳樹君, 蔣凡, 張俊林,等. 鋁合金變極性等離子弧穿孔橫焊焊縫成形規(guī)律分析 . 焊接學(xué)報 , 2013,34(4)： 1-6,113.

[35] 韓永全, 洪海濤, 郭龍,等. 交直流混合VPPA特性及鋁合金立焊工藝. 焊接學(xué)報 , 2013,34(9)： 59-62,116.

[36] 春蘭, 韓永全, 陳芙蓉,等. 脈沖VPPA 焊接信號采集分析系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用.焊接 , 2015(4)： 36-40.

[37] ZHANG Q L, YANG C L, LIN S B,et al. Soft variable polarity plasma arc horizontal welding technology and weld asymmetry. Science and Technology of Welding and Joining, 2015,20(4)： 297-306.

[38] ZHANG Q L, FAN C L, LIN S B, et al. Novel soft variable polarity plasma arc and its influence on keyhole in horizontal welding of aluminium alloys. Science and Technology of Welding and Joining, 2014, 19(6)： 493-499.

[39] DONG C, WU L, SHAO Y. The history and state-of-the-art of keyhole mode plasma arc welding. China Mechanical Engineering, 2000, 11(5)： 577-581.

[40] 張傳臣, 陳芙蓉. 厚板高強鋁合金焊接發(fā)展現(xiàn)狀及展望. 電焊機, 2007, 37(7)：6-11.

[41] 賈傳寶, 武傳松, 劉祖明. 脈沖后沿斜率可調(diào)的受控穿孔 PAW 系統(tǒng). 機械工程學(xué)報 , 2010, 46(18)： 91-95.

[42] 賈傳寶, 武傳松, 高進強. 受控脈沖穿孔等離子弧焊小孔熱滯后效應(yīng)的研究.金屬學(xué)報 , 2010, 46(8)： 991-996.

[43] 武傳松, 劉祖明, 陳姬. 受控脈沖穿孔等離子弧焊接小孔動態(tài)行為的檢測. 機械工程學(xué)報 , 2013, 49(18)： 114-118.