在航空飛機、發動機和太空飛行器的研製生產中，加工已經成為主導工藝方法之一。目前，儘管高能束流焊接（電子束、焊等）和固態焊接技術（攪拌摩擦焊等）都取得了較大進步，但氬弧焊接工藝以其獨特的優勢和特點在今後相當長一段時間內仍將佔據重要地位。隨著我國對航空飛機、發動機和航天飛行器效能等方面要求的不斷提高以及新型高強度鋁合金材料的開發應用，目前我國的電弧焊接技術水平已難以完全滿足現代焊接生產的要求，儘管近些年諸多學者在研究電弧焊方面取得了進展，但是在高強度鋁合金材料的實際電弧焊接加工過程中，許多關鍵技術和裝置以及工藝難題（如接頭軟化和氣孔缺陷等）始終未能從根本上突破，因此研究開發一種適用於高強度鋁合金材料的高效高質量電弧焊接加工工藝一直是材料加工領域的前沿課題。
快速變換復合超音訊脈衝變極性焊接
變極性電弧焊接技術（variable polarity arc welding）是一種比較理想的用於鋁合金材料的焊接方法。近年來研究結果表明，變極性電流的過零過程以及電流上公升沿和下降沿的變化速率（di/dt）對其焊接過程可產生重要影響，提高電流極性變換速率有利於改善和提高鋁合金的焊接質量。但受限於電源硬體電路設計原理等諸多因素的制約，目前研究較為廣泛的傳統變極性焊接電源，其輸出電流變化速率di/dt一般為5a/μs左右，並且存在一定的過零時間。
採用傳統變極性氬弧焊工藝焊接新型高強度鋁合金材料時，儘管可以減少焊縫中氣孔、裂紋等焊接缺陷，但仍然存在接頭嚴重軟化等一系列問題，這大大降低了其構件的承載能力。
快速變換復合超音訊脈衝變極性電源管理樣機
高頻脈衝氬弧焊也是一種先進的特種焊接工藝方法。研究表明，在自由電弧的基礎上加入高頻脈衝電流，當脈衝電流頻率達到較高的頻率以後，儘管當時在電流脈衝控制等方面仍存在某些不足，但焊接電弧已經能夠產生一種高頻效應，大大增強焊接電弧的穩定性，並顯示出更好的焊接適用性，可影響接頭熔池液態金屬的結晶過程，細化焊縫組織，從而有利於提高焊接接頭的效能。在高頻脈衝焊接過程中，其電流上公升沿和下降沿的變化速率（di/dt）是其重要的特徵引數之一，脈衝電流的變化速率di/dt越快，對焊接過程的影響效果就越顯著。
另外，在金屬材料製備領域，為了控制和改善金屬的凝固組織，提高金屬材料效能，施加脈衝電流已經成為在金屬材料製備過程中採用的重要物理場技術。研究結果表明，脈衝電流對鋁合金凝固組織具有顯著的細化作用，且脈衝電流特徵引數（如脈衝電流幅值、頻率及占空比等）對其凝固組織結構會產生重要影響。
類似地，在傳統鋁合金變極性氬弧焊接過程中，引入高頻脈衝方波電流的復合作用，合理選擇和匹配各焊接工藝引數，就有可能對鋁合金焊縫熔池金屬的凝固過程和顯微組織產生特殊作用，從而有助於改善和提高鋁合金材料的焊接質量。國內有學者在傳統變極性電流基礎上引入了脈衝電流調製的方式，形成了具有高低頻脈衝電流調製特性的復合變極性電流。初步研究結果表明，脈衝電流的加入對電弧焊接過程和焊接質量均產生了一定影響，但研究過程中普遍脈衝電流頻率較低（不超過20khz）、脈衝電流幅值較小（僅為幾十安培左右）且脈衝電流引數難以精確控制和獨立調節。
另外，加拿大liburdi公司研製的電弧焊接裝置在正極性電流持續期間也加入了高頻脈衝電流的調製作用，但其脈衝電流頻率最高僅達到10 khz，脈衝電流幅值最大為40a。
2023年，北京航空航天大學率先提出了「快速變換復合超音訊脈衝方波變極性電弧焊接（ultrafastconvert hybrid ultrasonic pulse variable polarity arc welding）」的概念，即在獲得過零無死區時間且具有快速電流上公升沿和下降沿變化速率變極性方波電流（與傳統變極性電流di/dt為5a/μs左右相比，提高10倍以上，即滿足di/dt≥50a/μs，故稱其為快速變換）的基礎上，在正極性電流持續期間加入幅值達百安培以上的超音訊脈衝方波電流（脈衝電流頻率≥20khz），且超音訊脈衝方波電流沿變化速率也滿足di/dt≥50a/μs。將其應用於鋁合金材料的電弧焊接過程，電流極性的快速變換和超音訊脈衝方波電流的加入將可對實際電弧焊接過程產生顯著影響，從而有助於明顯改善和提高鋁合金的焊接質量。
快速變換復合超音訊脈衝變極性方波電流的實現
，並準確實現超音訊脈衝方波電流的復合調製，是研究開發新型復合超音訊脈衝變極性氬弧焊接工藝（hybridultrasonic pulse variable polarity tig，hpvp-tig）的關鍵和技術難點。基於現代電源變換理論和技術，北京航空航天大學已經研究開發出一種主電路變換拓撲，成功研製出了一套新型氬弧焊接電源原理樣機，實現了復合超音訊脈衝變極性方波電流的輸出。該原理樣機輸出正、負極性電流幅值最大400a，復合脈衝電流頻率最高80khz，占空比0~100%，脈衝電流幅值達百安培以上，電流極性變化速率及脈衝電流上公升沿和下降沿變化速率di/dt≥50a/μs，同時基於dsp數字控制技術可實現對各電流特徵引數的精確控制和獨立調節，完全滿足實際鋁合金電弧焊接加工的需要。
hpvp-tig焊接
採用數字式示波器獲得的實際hpvp-tig焊接電流波形，電流特徵引數為正極性基值電流20a，脈衝峰值電流100a；脈衝電流頻率20khz；脈衝占空比50%；變極性電流頻率500hz；負極性電流120a；正負極性持續時間比4∶1。從電流變化曲線可知，電流從-120a上公升至+100a以及從+100a 下降至-120a僅用了約4μs（di /dt≈55a/μs），且電流過零點時無持續時間。
新型hpvp-tig焊接工藝的適用性
基於研究開發出的新型變極性焊接電源原理樣機，建立了鋁合金hpvp-tig電弧焊接試驗平台，分別以鋁鎂系5a06和鋁銅係2219鋁合金為試驗物件，從工藝性和使用性等方面研究分析了新型hpvp-tig焊接工藝的適用效能。
圖3 為部分5a06 鋁合金hpvp-tig 焊縫的成形外觀。採用x射線探傷方法對不同焊接工藝條件下獲得的鋁合金焊縫進行氣孔缺陷等方面檢測，可以看出，與常規vptig焊接工藝相比，採用新型hpvp-tig工藝進行鋁合金焊接可有效減少甚至消除焊縫氣孔等缺陷，保證獲得滿意的焊縫成形。
分別採用常規vptig、快速變換vptig和hpvp-tig3種工藝進行4mm厚2219-t87高強鋁合金平板對焊。與常規vptig焊接工藝相比，2219-t87高強鋁合金hpvp-tig焊縫抗拉強度和斷後伸長率分別提高約32%和138%，焊接接頭效能得到顯著改善和提高。另外，研究過程中還發現超音訊脈衝電流特徵引數（脈衝頻率、占空比及脈衝電流幅值等）對高強鋁合金焊縫組織結構和力學效能還會產生重要影響。
鋁合金焊縫x射線探傷
結束語綜合以上研究結果可知，新型快速變換復合超音訊脈衝變極性氬弧焊接技術是一種優質高效的特種電弧焊接工藝技術，可顯著改善和提高鋁合金材料的電弧焊接質量，從根本上突破並解決了實際工程應用中急切希望解決的難題，可替代傳統的氬弧焊接工藝，在發揮電弧焊接技術自身優勢的基礎上顯著改善和提高我國國防軍事、航空、航天工業中某些特殊結構材料和關鍵零部件結構的焊接質量，將具有重要的工程應用價值和推廣應用前景。(end) 文章內容僅供參考 () ()(2010-7-28)
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