穿孔等离子弧焊接技术研究

穿孔等离子弧焊接技术研究＊　

中航一集团６２５所 朱轶峰 张 慧 董春林 邵亦陈　

文摘论述了等离子弧焊接的新进展，介绍一脉一孔的等离子弧焊接工艺、正面弧光传感器、焊接质量模糊控制系统以及采用该系统进行的焊接质量控制的初步试验结果。研究表明在不锈钢等离子弧焊接过程中，采用该系统可以提高等离子弧焊接焊缝的质量。

主题词等离子弧焊一脉一孔弧光传感模糊控制

1 引言

进入21世纪，航空航天制造业对焊接技术提出了更高要求，人们在追求低成本高强度的焊接结构时对穿孔等离子弧焊接产生了新的兴趣。

等离子弧能量密度高、射流速度大、等离子流力强 [1]，穿孔等离子弧焊接（K-PAW）时等离子弧穿透工件形成小孔，随着小孔的弥合形成焊缝。对于国防工业中常用金属材料如高强钢、高温合金、钛合金、不锈钢等，在中厚度(3～10mm)范围与钨极氩弧焊相比，PAW具有更佳的工艺焊接性，接头内部缺陷率降低、焊件变形减小、焊接效率提高。“单面焊接双面成形”是K-PAW的典型特征，特别适合密闭容器、小直径管焊缝等背面难于施焊的结构件焊接。

但是穿孔等离子弧焊接过程的稳定性及焊接工艺参数的再现性始终是摆在焊接科研人员面前的难题，制约着等离子弧焊接技术的工程应用。本研究通过采用优化工艺参数、脉冲焊接工艺方式以及增加质量控制的手段提高等离子弧焊接的工艺裕度、提高离子弧焊接过程的稳定性。

2 试验系统

建立一个能够满足焊接试验、参数实时采集、实时控制的完整的试验系统，是本研究课题的基础。

2.1 焊接电源

目前国内使用的等离子弧焊接电源中，以晶体管、可控硅电源为主，新型的IGBT电源还处于研究阶段，电源输出的稳定性难以保证，成为影响焊接质量稳定性的因素之一。

同时考虑到逆变电源的控制响应时间较快等因素，选用进口的等离子焊接电源及焊枪，逆变频率可达 32kHz，能够提供较好的输出特性，便于实现自动焊。

2.2 焊接夹具

自动等离子弧焊接工艺对焊接夹具的压紧均匀性、焊缝对中有一定要求，为此我们自行设计研制了具有琴键式压紧纵缝、机械对中装置的LCAW-2型纵缝和环缝自动焊机。

2.3 焊接质量模糊控制单元

利用具有内置模糊控制模块的可编程控制器，开发了外围数字接口电路，结合奔腾133计算机,再加上我们开发的模糊控制规则表，形成了质量模糊控制单元。

模糊控制系统执行机构为焊接电流控制器与焊接速度控制器。尽管影响等离子焊接焊缝成型质量的参数有很多，考虑到焊接电流和焊接速度对等离子焊接熔池的体积、温度及弧柱压力均有

收稿日期：2001-12-04

*本课题被评为2000年度国防科技进步二等奖

22

比较明显的影响，且信号响应惯性小，因此系统的控制对象选择为焊接电流和焊接速度两个参量，这样的控制系统响应速度快。

３ 试验方案　

首先通过工艺试验确定加脉冲的时间及脉冲电流的大小、维持时间，达到“一脉一孔”断续穿孔焊的效果，并与数值计算结合进行理论分析，确定工艺参数及控制模型，建立一套脉冲等离子弧焊适应控制系统。

3.1 传感器的选择

熔池小孔行为的传感方法有多种，如尾焰导电法、尾焰光电法、背面麦克风声频信号检测法，均可以准确地反映出小孔的有无，并在生产中得到一定范围的应用，但也存在相同的局限性，即传感元件需要放置在焊件背面。

正面弧光传感，体积小、结构简单、信号响应速度快、抗干扰能力强，颇具工程应用潜力。在穿孔等离子弧焊过程中，小孔的形成、闭合及尺寸变化都将改变等离子弧的物理状态和性能参数，如宏观形态、电弧弧长、能量密度、射流速度等，电弧辐射作为电弧能量传递重要方式之一，直观地表达了等离子弧能量与质量的微观输运机制。

3.2 控制方案的确定

由于焊接过程通常表现为一些复杂的非线性系统，难以建立准确的数学模型，因此已不能采用传统的控制方法进行控制。模糊控制技术是运用模糊集合理论中的推理规则，对工程技术的各种参量实施控制的一种方法。由于它基于熟练操作者的经验知识库进行控制，且不需要建立数学模型，因此在等离子焊接的过程中采用模糊控制技术对焊缝成型质量进行控制就更显其优越性。

等离子焊接的模糊控制系统主要由模糊控制器、弧光传感器及信号处理器、D/A转换电路、A/D转换电路、执行机构、“给定”值设定等七部分组成。

工作原理是：根据不同的焊接对象（焊接材料和焊接厚度等）经通讯面板来“给定”信号，并利用通讯面板监视控制过程的状态，利用弧光传感器对等离子焊接的正面弧光信号进行检测，其检测信号经过二次信号处理后通过A/D转换器送至模糊控制器进行处理，模糊控制器的输出通过D/A转换器送至执行机构进行驱动控制。控制信号通过控制面板输入到S7300系统，动作命令信号送至执行机构，从而形成一套完整的实时控制系统（图1）进行在线检测和控制，来控制等离子焊接的焊缝成型质量。

４ 研究过程　

4.1 脉冲等离子弧焊接工艺

对于穿孔等离子弧焊接，有利于熔池金属平衡的条件有两个：一是匙孔直径尽可能小；二是焊缝根部与熔池上部凝固时间与空间的偏差尽可能大。而影响匙孔直径的因素有：焊嘴的孔道比、钨极直径与钨极尖端形状、钨极内缩量、焊接电流、离子气与保护气流量等。影响焊缝根部与熔池上部凝固时间与空间的偏差的因素有：工件的冷却条件、电弧输入工件的能量控制。而控制热输入量的最有效途径就是采用脉冲焊方式。

脉冲等离子弧焊的热输入线能量公式为：

()

v

T

T

I

T

I

U

Q b

b

p

p

×

?

+

?

×

=

其中：I p为脉冲电流，是保证焊透和焊缝成形的主要参数之一，T p为脉冲持续时间，I b 图１ 等离子焊接模糊控制系统的组成

23

24 为基值电流，直接影响焊缝的熔宽及焊缝的截面积，T b 为基值电流持续时间，T 为脉冲周期。 脉冲等离子弧焊的工艺规范参数还有通断比λt 、脉冲频率f 。通断比增大时，热输入量增加，熔宽及焊缝截面增大；通断比减小时，热输入量减少，一般所用的通断比为 0.5～1.2 之间。脉冲频率f ，对焊缝成形尺寸影响不大，脉冲频率一般随焊接速度的增加作相应的增加，以保证相邻两个脉冲所形成的熔池连续。脉冲频率过低，焊缝的连续性差，焊缝表面的鱼鳞粗糙；脉冲频率过高，则近于普通等离子弧焊，生产中一般采用f ＝1～5Hz 。

脉冲等离子弧焊接的特点：a.输入功率可精确控制；b.线能量减少，工件变形小，适于对热敏感材料的焊接；c.电流脉冲功能可以充分搅拌熔池，有利于氧化膜的破碎及焊缝气体的逸出；d.有效克服双弧，使焊接过程稳定。

连续穿孔焊时要求焊接全过程中匙孔持续存在，电弧输入熔池的热输入量较大，熔池根部熔宽过大；而采用“一脉一孔”的脉冲等离子弧焊接工艺，可以限制熔池根部熔宽, 提高根部基体金属对熔池的约束作用，使熔池稳定。

所谓“一脉一孔”，就是在每一个脉冲周期内，焊接电弧作用于待焊接头金属处形成的匙孔出现并闭合一次，即在峰值电流期间形成匙孔属于穿孔焊，在基值电流期间匙孔闭合属于熔化焊。其技术难点在于如何选择恰当的电流参数及合理匹配通断比（T p /T b ）。

利用优化焊接参数进行了脉冲等离子弧焊接试验。图2是检测的焊接过程中匙孔的形成、闭合时同步采集的尾焰电压与焊接电流对应关系。 从图中可以看出，在穿孔型脉冲等离子弧焊接过程中，焊接电弧的尾焰电压在焊接电流峰值达到最大，说明此时匙孔径最大；在焊接电流基值尾焰电压为零，说明匙孔闭合。在每一个脉冲焊接周期内，匙孔各产生与闭合一次，实现了“一脉一孔”的脉冲等离子焊接工艺。[2] 4.2 弧光传感的研究

弧光传感器是一种接收弧光并将弧光辐射信息转化为电信号的装置。 4.2.1 弧光传感的物理模型

弧光传感的物理本质在于从光电器件接收的源于焊接电弧的辐射信息中获取表征熔池小孔行为的信号。

将焊接电弧看作为辐射源，光电器件的接收面看作为探测器的接收面，并分别简化为平面，这样可以将弧光传感过程简化为自辐射源（电弧）到探测器接收平面（光电器件）光能的传输与转换过程，如图3所示。

图中：L λ —— 辐射源单位面积元光谱辐射亮度；

θS —— 辐射源面积元dA S 法线n 与两面积元中心连线OO'的夹角；

d ? —— 自辐射源看接收单位面积元dA D 所张单位立体角；

θD —— 探测器接收平面单位面积元法线

n'与中心连线OO'的夹角；

r —— 中心连线 OO'之间的距离。

尾焰电压/V

焊接电压/V

焊接电流/A

采 样 点 数

图２ 尾焰电压检测焊接过程匙孔的行为　

图３　弧光传感过程示意图　

25

传感的物理模型可表示为：

λλλθαλλλλλd L K K r S K U m m D )()(cos 212

0∫?+?????= 该式定性地表达了等离子弧的光谱辐射亮度L λ与光电器件输出电压U 0之间的关系。通常，光电器件的光谱响应特性修正因子K 2(λ)、干涉滤光镜片的主要参数等固定不变，则随着等离子弧的光谱辐射亮度L λ的升高，辐射源面积S 加大，辐射源与接收探头之间的距离r 降低，弧光传感器输出信号U 0升高。[4]

4.2.2 熔池小孔特征行为的弧光传感

穿孔等离子弧焊焊接过程包括小孔的形成、小孔尺寸的稳定保持、闭合。借助于光谱分析测试系统，研究焊接过程中当熔池小孔发生特征变化时，等离子弧发射光谱的变化规律；随后，利用研制的弧光传感系统，获取弧光辐射信号，分析其特征及特征信号形成机制。

通常恒流等离子弧焊接过程分为三个阶段：起弧、焊接、收弧。在起弧阶段，小孔建立，此时焊接电流和离子气流量不断升高；在焊接阶段，小孔保持稳定状态；在收弧阶段，小孔闭合，焊接电流和离子气流量缓降。显然，在小孔形成与闭合阶段，等离子弧辐射强度的变化必然包含着焊接规范参数的影响作用因素。

穿孔等离子弧焊所面临的主要问题在于焊接过程的不稳定性，电弧的稳定性和焊缝成形的稳定性易于受到破坏。而影响焊接过程稳定性的因

素包括焊接规范参数，及如工件散热条件的变化、材料不均质的影响、网压波动等等。实际生产时，纵缝穿孔等离子弧焊在起、收弧板上开始或结束焊接程序。因而，在焊接阶段，测试并分析小孔发生特征变化时的电弧辐射强度信号，对保证焊接质量具有更加重要的意义。

上图为4mm 厚1Cr18Ni9Ti 不锈钢平板铺焊时获得的试验结果。焊接速度为300mm/min ，离子气流量为1.4LPM ，正面保护气流量为6.0LPM ，均为工业纯氩。

在前32秒，从焊接起弧阶段进入到焊接阶段，小孔建立并保持稳定，焊接过程也比较稳定，之后小孔突然消失，间隔约5秒后，小孔再度建立。在焊接过程中并未人为改变焊接规范参数，也未调整焊枪，却出现了小孔突然闭合的现象，显示了穿孔等离子弧焊焊接过程不稳定性。小孔稳定存在时，等离子弧发射光谱辐射强度信号比较平稳，而当小孔闭合以及间隔约5秒后小孔重新建立时，光谱测试系统检测得到的谱线相对辐射强度信号发生了负脉冲式的显著跃变，与发生在焊接起弧阶段和收弧阶段的谱线辐射强度信号的负脉冲跃变特征相同。

因此，弧光信号能够定量地反映出焊接过程中小孔的变化情况，据此可以判断出熔宽的变化情况，实施焊接过程的质量控制；同时据此开发出了试验型的弧光传感器。

4.3 质量模糊控制系统的研究

由于影响等离子弧焊接质量的因素很多，且随机性很大，很难建立合适的数学模型，应用模糊控制技术进行焊接质量的实时控制就更显其必

图5显示了模糊控制器的基本结构，包括输

80

1001201400

51015202502000

40006000800010000ArII 480.6nm

ArII 488.0nm ArI 675.3nm H 656.3nm 0

5

10

15

20

25

010000

200003000040000ArI 727.3nm 0.0

0.51.01.5

2.0

时 间／　ｓ

焊接电压／　Ｖ

尾焰电压／　Ｖ

焊接电流／　Ａ

谱线辐射强度／ａ．ｕ．

谱线辐射强度／ａ．ｕ．

焊接电流

焊接电压尾焰电压

图４　不锈钢平板铺焊过程谱线强度信号　

图５ 模糊控制器结构框图　

入模糊化接口、数据库、规则库、推理机、输出解模糊接口等。

本研究采用PLC作为模糊控制器硬件，可保证控制系统具有良好的抗干扰能力。借助PLC系统软件的平台上开发模糊控制的专用软件。

offset——补偿因子；

“编辑隶属函数和论域”、“编辑规则表”等软件的功能是：定义隶属函数的类型，如三角形、梯形等，根据控制需要选择合适的隶属函数类型；定义输入和输出的论域，根据焊接对象选择相应的论域大小；“编辑规则表”软件的功能是编辑模糊控制的规则，最多可容纳256条语句，把经验数据变成模糊控制器认可的语句。

在厚度变化为6-4-2-4-6的试样上进行了闭环控制系统试验。无控制的条件下焊接时，6mm处未焊透，4mm处焊缝成形良好，2mm处出现焊漏；采用焊接质量闭环控制系统后，在不

同的厚度都获得了良好的成形，正面和背面的焊缝成形均匀。

５ 结论　

5.1 试验表明，控制系统的抗干扰能力强，响应速度快。

5.2 正面弧光传感器可以反映焊接过程中熔池的穿孔情况；并用于等离子弧焊焊缝成形闭环实时控制。

5.3 “一脉一孔”的焊接工艺可以提高等离子弧焊接过程的稳定性。

参考文献

1 崔信昌. 等离子弧焊接与切割. 国防工业出版社，1980.6

2 朱轶峰. 脉冲等离子弧焊接. 第九次全国焊接学术会议，p586～588

3 张慧. 模糊控制技术在等离子焊接质量控制中的应用第九次全国焊接学术会议，p592～594

4 董春林. 等离子弧焊小孔行为的弧光传感. 哈尔滨工业大学. 博士学位论文

％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％　

(上接第33页)

可见磨削量大，砂轮速度大，磨削力F t增加，砂轮砂粒间距过小，都会使磨削区温度升高，磨削热应力增加，因此从减少磨削拉应力角度来看，改善磨削加工条件是十分必要的。

４ 防止磨削裂纹措施

根据磨削裂纹形成机理及各种因素对磨削裂纹的影响，采取防止磨削裂纹产生的措施应从减少磨削热和应力、提高工作磨削面断裂强度两方面着手。减少磨削热和应力方面可通过改进磨削工艺以及改进热处理工艺，提高材料热传导率实现，其中碳化物及残余奥氏体是影响材料传导率主要因素，应尽可能减少它们在组织中占的百分比。提高断裂强度可通过热处理来实现，即控制残余奥氏体含量，细化晶粒，减少马氏体微裂纹数量，防止磨削面出现网状或大条块状碳化物以及消除淬火内应力。具体方法如下。

4.1 改进热处理工艺：在保证技术要求前提下适当降低淬火加热温度，缩短保温时间，可避免大条块状碳化物或网状碳化物的析出，且可避免奥氏体粗化，减少显微裂纹，还能减少残余奥氏体量，提高工件热传导率。

4.2 改进磨削条件：选择粒度细，组织松的砂轮，保持砂轮锋利；选择小的砂轮磨削速度和砂轮进刀量；改善冷却条件，选择粘度小的冷却液。

参考文献

1 胡光之，谢希文. 钢的热处理. 西安，西北工业大学出版社, 1993

26