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等离子穿孔工艺—航空航天领域


    随着航空航天技术领域的飞速发展,对运载飞行器的要求也不断提高,结构设计需要轻量化。铝合金、钛合金和镁合金等高强轻质材料以及低合金高强钢的应用越来越广泛。这些高性能结构材料对焊接工艺提出了越来越高的要求。等离子弧焊接具有的独特工艺优势。本文将对穿孔等离子弧焊接及其在航空航天领域的应用情况进行介绍。 
    等离子弧焊(PAW)是在钨极氩弧焊(TIG)的基础上发展而来的一种焊接方法。通过对电弧的机械压缩、热收缩和电磁收缩作用,弧柱直径缩小、离子化程度提高,获得能量密度更加集中,电弧温度更高,射流速度更大的稳定的等离子弧。image.png 
  
按照焊接过程中是否形成穿透工件的小孔,可以将等离子弧焊接方法分为穿孔型和熔入型。穿孔等离子弧焊可实现“单面焊双面成形”,中厚板一次焊透,所得焊缝横截面呈倒喇叭状,深宽比大,热影响区小。穿孔等离子弧焊接具有成本低、焊接效率高、操作方便和适应性强等特点,在航空航天轻金属结构的焊接方面,具有一定的应用潜力。 
     由于机械压缩、热压缩和电磁压缩作用以及钨极内缩于喷嘴,因而等离子弧具有较高的能量密度和电弧压力。由于弧柱中的粒子具有较大的速度和动量,因此可以将熔池前端熔融的金属液排开形成小孔。随着焊枪的移动,电弧冲击、加热熔化前壁母材,熔融金属液受到电弧力的挤压沿小孔侧壁流向后方,形成液态金属熔池,凝固后形成焊缝。 
     1954年美国Union Carbide公司的Robert Gage发现压缩电弧所具有的特殊性能之后,美国Linde公司、Westinghouse公司合作研制出自动化等离子弧焊设备并将其成功应用于大力神Ⅲ-C的火箭助推器壳体的焊接,将多层多道TIG焊优化为等离子弧一次焊透、TIG盖面,大大提高了焊接质量并将工时缩短了近50%。此外还运用于B1轰炸机主翼机匣、RB-211喷气发动机中心压气机壳体、直升机桨叶圆柱大梁、钛合金机翼蒙皮等航空部件的制造。上世纪70年代波音、Hobart Brothers等公司开始对变极性等离子弧焊接铝合金构件展开研究并成功运用。NASA马歇尔宇航中心则将大功率变极性等离子弧焊系统应用于航天飞机外储箱的焊接。 等离子弧焊接过程中,在恒定工艺参数情况下,小孔的形成一般经过盲孔阶段、不稳定穿孔阶段和准稳态穿孔阶段。 利用焊接过程检测与控制技术, 实现焊缝熔池穿孔的实时闭环控制。即通过专用传感器检测焊接过程穿孔状态, 并反馈到焊接参数调节系统,对焊接过程进行闭环控制。山东大学武传松课题组通过采集背面熔池小孔的图像,提取特征信息,确定小孔中心偏移量,研发了基于视觉传感检测的受控脉冲穿孔等离子弧焊接系统。 
     该系统以背面小孔中心偏移量作为小孔状态的被控量,以脉冲后沿电流的下降斜率为控制量,动态控制小孔的开闭过程,可获得稳定的焊接过程,进而得到优质的焊接接头。 对于航空航天工业中常用表面易形成氧化膜的轻质合金材料,变极性等离子弧焊(VPPAW)具有更佳的工艺焊接性。变极性等离子弧焊接是一种不对称方波交流等离子弧焊,正半波时采用非熔化钨极做阳极,利用阴极雾化作用去除氧化膜,进而可以对去铝材施焊。变极性等离子弧焊接的关键技术在于变极性电源,必须要有足够高的静态、动态稳定性、抗高频干扰的能力和控制精度。近年来,北京工业大学陈树君等自主研发成功变极性等离子弧焊接设备,并成功用于我国航天载具的加工制造。 
     针对航空航天飞行器中大量的大体积薄壁结构件,为获得更稳定的焊接过程和穿孔状态,哈工大杨春利等人研发了柔性等离子弧焊接技术。通过设计三孔型的水冷铜喷嘴,可以在保证电弧能量集中程度的基础上有效降低电弧压力。降低等离子弧对工件的冲击,进而背面小孔明显小于常规等离子弧焊,能有效促进熔化金属搭桥连接。通过调整喷嘴上三个空的尺寸和位置,橫焊位置依然可以获得优质的焊接接头。image.png穿孔等离子弧焊接是一种具有高能量密度的焊接方法,具有适应性强、对接头装配精度要求低、操作简便等优点,属于低成本高效焊接工艺。针对航空航天领域的新材料、新结构、新服役环境,科研人员开发出变极性等离子弧焊、柔性穿孔等离子弧焊及受控脉冲穿孔等离子弧焊等新型穿孔等离子焊接工艺,这些新型工艺在航空航天装备制造领域具有其他焊接工艺所不具备的独特优势。随着改型穿孔等离子弧焊方法的不断出现,穿孔等离子弧焊焕发出新的活力。

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