大熔深穿孔等离子弧焊接闭环控制系统及不锈钢焊接工艺研究

作     者：张金衡 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾传宝

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：穿孔等离子弧焊接 闭环控制系统 大熔深焊接 力学性能 耐腐蚀性能 

摘      要：穿孔等离子弧焊接（K-PAW）过程中,高能量密度的电弧在焊接中厚度钢板时能实现一次熔透,具有高效率、焊接变形小、成本低等显著优点。然而,较窄的合理工艺参数窗口以及小孔稳定性差等问题,限制了该技术的推广应用。特别是,工件厚度的不断增加,电弧与液态熔池的相互作用更加剧烈,造成熔池振荡,小孔会变得愈加不稳定,导致焊接接头出现缺陷。本文为了拓宽穿孔等离子弧焊的可焊接厚度范围、提高焊接熔深和焊接稳定性,开发了一套快速响应的K-PAW闭环控制系统,对于K-PAW工业应用具有重要意义和推动作用。新型的闭环控制系统以可编程逻辑控制器（PLC）为控制单元,使用尾焰电压作为小孔状态的实时反馈信号,实现了 4Hz以上的脉冲调整频率,10ms以内的响应时间,满足了控制要求。针对6～10mm厚度的各种板材设计了“脉冲穿孔电流控制策略,其核心思路是以尾焰电压为被控制量,以最小穿孔电流为基准对焊接电流进行实时动态调整,达到了“一脉一孔的实际控制目的。结果表明,自适应的脉冲电流,不仅使小孔的开闭过程迅速而稳定,还降低了焊接热输入并提高了系统对热输入的调控能力。通过分析大熔深焊接过程中熔池的动态行为和受力特征,设计了针对12 mm厚度以上304不锈钢的“受控准稳穿孔电流控制策略,其核心思想是使小孔全程保持准稳状态,通过峰值和基值电流的相互配合使小孔仅发生微小的可控变化,该策略克服了即将穿孔阶段的调控难题。此时的脉冲电流不再调控小孔的开闭状态,而是通过保持小孔的稳定开启,来最大程度保持了熔池的稳定状态。在“受控准稳穿孔控制策略下,实现了最大厚度为14 mm的304不锈钢的对接焊,焊缝无气孔、不连续穿孔及烧穿现象,表明了该控制策略可以有效减少焊接缺陷,改善焊缝成形。开展了预留间隙和带有错边量的对接焊试验,焊接过程稳定,熔池无烧穿,表现了控制系统良好的适应性;针对正面焊缝常见的咬边缺陷,使用填丝焊接以及TIG盖面焊接两种方式进行了优化工艺试验。结果表明,两种焊接方式均可以去除K-PAW焊缝的正面咬边缺陷。对焊接接头进行了各项力学性能测试,获得了良好的性能指标。其中,焊接接头的抗拉强度为母材的94%,在室温和较低温度下的冲击韧性与母材基本相同,并且接头弯曲角度可达180°,且无微裂纹产生,体现了良好的塑韧性。采用双环动电位再活化法和不锈钢65%硝酸腐蚀试验测试了母材、焊缝以及熔合线附近区域金属的耐腐蚀性能,焊缝与母材及熔合线附近区域金属相比耐蚀性更强。