铝合金分体等离子弧穿孔焊接全位置熔池稳定性控制项目摘要

针对铝合金大型壳体结构现场装配焊接的全位置焊缝,本课题从电弧分离现象出发，提出分体式变极性等离子弧穿孔焊接工艺，采用导引电极分离等离子弧，使电弧热中心和力中心发生偏离，实现对熔池热、力输入大小和相对位置的分别可控及不均衡温度场加载，更加精确的控制穿孔熔池熔体流动；针对任意位置稳定状态的穿孔熔池进行建模分析，得到目标函数，解决拘束电弧空间和物理区域分布、穿孔熔池稳定状态描述等难点问题；通过对导引电极空间位置进行调整、力脉冲和热脉冲协调配合，实现对穿孔熔池的力脉冲输入和热脉冲输入的分别控制；通过调控传质的位置和速度对熔池流体初始流动速度和方向的控制，实现分体电弧和穿孔熔池的热力匹配；建立温度及温度梯度与温宽偏离度的对应关系，以温度梯度作为控制系统的前馈信号，突破任意位置的穿孔熔池稳定性控制、熔池失稳预判和主动调节等关键技术，实现全位置铝合金变极性等离子弧穿孔焊接及对焊缝的精确控形控性。

自2014年项目启动以来，围绕“分体等离子弧热力传输机制及工艺特性”开展研究，解决的关键问题和创新性研究成果概述如下：电弧的电特性是其力热行为的本源，针对电弧这一载流等离子的特殊性，自主研制了“旋转式有源探针测试系统”，揭示了等离子弧电特性分布规律并发现了阴极效应；分体等离子弧的突出优势是可实现能量分配，分别以工件端和丝材端为研究基点，采用定量测量与定性表征相结合的方式，标定了等离子弧能量分布，建立了能量分布解析模型，研究了各工艺参数对分体等离子弧能量分配的影响规律，探明了分体等离子弧的传热机制，建立了分体等离子弧传热模型；以熔滴飞行试验为基础，结合熔滴不同阶段的受力状态，研究了各工艺参数对熔滴过渡行为及运动行为的影响，探明了分体等离子弧中熔滴过渡机制；综合上述的理论与试验研究结果，分体等离子弧可实现焊接制造过程中传热、传质、传力的灵活设定，使其能满足不同焊接位置对热源热质力传输的不同需求，并以此热源完成了多位置焊接制造工艺的研究工作，同时也利用该热源开展了金属增材制造初步研究。总结研究结果，已发表论文17篇，其中国际期刊论文（SCI）7篇、EI论文3篇、国内核心期刊5篇、国际会议论文3篇。申请国家发明专利8项，其中授权4项。获得省部级及以上奖励3项，其中国家级奖励1项。在课题研究过程中培养研究生14人，其中博士生3人；博士后2人；获得职称晋升1人；评为“长江学者特聘教授”1人。 2100433B

针对中厚板结构焊接制造面临的效率、质量和成本问题，基于工程热物理与材料焊接加工的学科交叉，研究了受控脉冲穿孔等离子弧焊接新工艺所涉及的熔池与小孔动态耦合传热特性。解决的关键问题和创新性研究成果概述如下： （1）自主研制了“受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统”，搭建了穿孔等离子弧焊接熔池与小孔传热特性的实验研究平台。（2）在不同工艺条件下测试了熔池内小孔的形状尺寸与位置信息，揭示了熔池穿孔过程各阶段小孔特征参数的动态演变规律。（3）实现了双视觉传感器的信息融合，同步获取了工件背面的小孔图像及熔池温度场图像。选用合适的采集窗口，利用单一CCD摄像头获得了熔池与小孔的一体化图像。（4）基于熔池表面的受力状态，建立了小孔形状的瞬态模型，定量分析了受控脉冲条件下熔池内小孔在一个脉冲周期内“形成-长大-缩小-闭合”的周期性演变过程。（5）建立了穿孔等离子弧焊接三维瞬态流场与热场的数值分析模型，追踪小孔界面的演变过程，实现了带有瞬态变化小孔的熔池流体流动与传热过程的数值模拟。（6）综合上述的理论与实验研究结果，优化了受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺与系统，实现了中厚度不锈钢板的优质、高效、低成本焊接。 总结研究结果，已经发表论文67篇。其中，国际期刊论文18篇、国内核心期刊论文19篇、国际会议论文19篇、全国性会议论文11篇。在美国出版英文专著1部。申请中国发明专利1项。发表的论文中，被SCI收录22篇、EI收录12篇。在国际会议做大会报告(Keynote) 2次、特邀报告(Invited) 4次。 2100433B

针对高性能金属材料中厚板重大复杂结构焊接制造面临的效率、质量和成本问题，基于工程热物理与材料焊接加工的学科交叉，研究受控脉冲穿孔等离子弧焊接新工艺所涉及的熔池与小孔动态耦合传热特性。研究受控脉冲穿孔条件下等离子弧热-力特性及其与熔池的相互作用、等离子弧-液-固之间的界面热-力作用机制及其所引起的熔池流体流动与传热过程、小孔形成-长大-缩小-闭合的瞬态演变特性及其描述与追踪方法。定量分析带有快速周期性变化小孔的熔池动态传热特性与热滞后效应，实测不同工艺条件下等离子弧焊接熔池、小孔和焊缝的形状尺寸与温度分布以及熔池的穿孔状态。基于熔池与小孔特殊热物理形态的理论与实验研究结果，建立焊接工艺参数－熔池与小孔动态传热机制－焊缝成形质量之间的定量关系，为优化受控脉冲穿孔等离子弧焊接工艺参数、实现新型高性能金属材料的优质、高效和低成本焊接加工，促进我国重大装备制造技术水平的提升奠定坚实基础。

利用等离子弧能量密度和等离子流力大的特点，可在适当参数条件下实现熔化穿孔型焊接。这时等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力作用下形成一个穿透工件的小孔，熔化金属被排挤在小孔周围。随着等离子弧在焊接方向移动.熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动，于是小孔也就跟着等离子弧向前移动。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫面实现单面焊双面一次成形的好方法。

一般大电流(100~300A)等离子弧焊都采用这种方法。应该指出的是，穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成，板厚增加时所需能量密度也增加。

选择穿孔型等离子弧焊工艺参数时，一般首先按所需电流确定喷嘴孔径。2100433B