高强装甲铝LB-VPPA复合脉冲调制深熔焊接机理

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51365032
项目类别：
地区科学基金项目
资助金额：
50.0万
负责人：
韩永全
依托单位：
内蒙古工业大学
学科分类：
E0508.成形制造
结题年份：
2017
批准年份：
2013
项目状态：
已结题
起止时间：
2014-01-01 至2017-12-31

项目参与者：
刘军；邬志刚；杜茂华；姚青虎；洪海涛；李国伟；庞世刚；李相东；
关键词：
深熔焊接变极性等离子弧铝合金

项目摘要

Welding quality of thick plate armored Aluminum alloy structure used in the applications of aerospace,tanks and new armored vehicles gets more and more attentions. Laser Beam-Variable Polarity Plasma Arc(LB-VPPA) dual high energy beam hybrid thermal source have advantages of large power, concentrated energy, strongly penetrating force,high arc stability and narrow heating area.So,they can improve thick plate high strength Aluminum alloy welding quality and it becomes possible to promote aerospace and military products manufacturing level.LB-VPPA hybrid welding system is consist of self developed VPPA welding source which has high-low frequency modulating pulse waveform output and WF-5000 laser generator.Using the system to do deep penetration welding experiments in 2519 high strength armor Aluminum alloy which thick is more than 20 mm.Building LB-VPPA hybrid thermal source model and exploring the mechanism of VPPA's arc shape,electrode positive and reverse polarity heat product, squeezing effect,volt-ampere characteristic. Exploring thick plate high strength Aluminum alloy deep penetration melting pool behaviors and weld formation. under LB-VPPA hybrid thermal source. Detecting and analysing the mechanism of thermal source,deep penetration welded joints on which dual high energy beam hybrid thermal source and VPPA high-low frequency modulating pulse act, microstructure refinement, distribution of strengthen phase and its mechanical properties.

航空航天、坦克及新型装甲车制造中厚板高强铝合金焊接质量问题越来越受到重视。激光-变极性等离子弧（LB-VPPA）双高能束复合热源具有功率大能量集中、穿透力强、电弧稳定性高和焊接热影响区窄等优点，因此进一步提高厚板高强铝合金焊接质量，推进航空航天和军工产品制造水平变为可能。采用自行研制的具有高低频调制脉冲功能的数字化VPPA焊接电源与WF-5000激光器组成的"LB-VPPA"复合焊接系统对厚度大于20mm 2519高强装甲铝合金进行深熔焊接试验。建立LB-VPPA复合热源模型，研究LB作用下VPPA的电弧形态、正反极性产热、压缩效应和伏安特性的变化机理。探究"LB-VPPA"复合热源作用下，厚板高强铝合金深熔焊接熔池行为及其焊缝成形机理。检测并分析双高能束复合热源及VPPA高低频调制脉冲对"LB-VPPA"复合热源热源特性、深熔焊焊接接头组织细化、强化相的分布特征及其力学性能的影响机理。

结项摘要

激光-变极性等离子弧（LB-VPPA）双高能束复合热源具有功率大能量集中、电弧稳定性高和加热区窄等优点，因此进一步提高厚板高强铝合金焊接质量变为可能。建立了由基于单片机控制的具有高低频调制脉冲功能的双逆变变极性等离子弧焊接电源与激光器组成LB-VPPA复合焊接系统。研究了LB作用下VPPA的电弧形态、压缩效应和伏安特性的变化机理。研究发现激光对VPPA焊接电弧有吸引作用，并且与VPPA正、反极性作用机理不同；正极性阶段发现激光被压缩于VPPA电弧内部且作用于电弧根部，而反极性阶段在VPPA电弧上方会出现一个等离子体柱。VPPA焊电弧根部等离子体对激光的逆轫致辐射吸收，电弧因温度升高而膨胀导致其横截面积变大；同时引入激光为VPPA焊接电弧提供了大量自由电子，电流密度增加、导电性增强、电导率提高、电阻减小，导致电弧电压下降了约3~4V。随着激光功率的增加，激光对VPPA电弧作用效果明显增强。在理论分析复合热源产热机理的基础上，利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发，建立了能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现，熔池上部采用双椭球热源，下部采用三维锥体热源，同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。分析了LB与VPPA耦合效应对复合热源特性及其焊缝成形的影响规律。LB与VPPA相互耦合不仅提高了激光吸收率，在变极性等离子弧根部形成一烁亮区，并且在VPPA反极性期间此效应更为显著。检测并分析双高能束复合热源及VPPA高低频调制脉冲对热源特性、深熔焊焊接接头组织细化及其力学性能的影响机理。由于高低频混合脉冲电流的周期性变化，对熔池产生搅拌、冲击作用，从而提高了焊接接头抗拉强度，细化焊缝晶粒组织，断口韧窝趋于均匀且密度增加，提高了铝合金焊缝质量。同时在项目的资助下，发表了学术论文11篇，其中1篇被SCI收录，10篇被EI收录；授权专利1项；培养研究生8名，作为主要完成人获国家科技进步二等奖一项。