脉冲等离子弧焊

中文名称

脉冲等离子弧焊

英文名称

pulsed-plasma arc welding

定　　义

利用脉冲电流进行焊接的等离子弧焊。

应用学科

机械工程（一级学科），焊接与切割（二级学科），熔焊（三级学科）

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

等离子弧焊是指利用等离子弧高能量密度束流作为焊接热源的熔焊方法。等离子弧焊接具有能量集中、生产率高、焊接速度快、应力变形小、电孤稳定且适宜焊接薄板和箱材等特点，特别适合于各种难熔、易氧化及热敏感性强的金属材料(如钨、钼、铜、镍、钛等) 的焊接。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用纯氩。根据各种工件的材料性质，也有使用氦、氮、氩或其中两者混合的混合气体的。

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。