● 摘要
铝合金以其优良的物理化学和力学性能而广泛应用于航空、航天等领域。在航空飞机、发动机和航天器的研制生产中，焊接加工已经成为不可缺少的关键技术和主导工艺方法之一。随着对航空、航天飞行器和发动机性能等方面要求的不断提高以及新型高强度铝合金材料的开发应用，针对铝合金材料焊接新方法的研究开发成为面临的主要科学问题之一。同时，电弧熔焊技术以其操作方便、工艺柔性好、可达性强等突出特点和优势，在今后相当长一段时间内仍将占据主导地位。因此，研究开发一种新型的电弧熔焊工艺，用于高强度铝合金材料的电弧焊接过程并显著提高其焊接质量，将具有极其重要的工程应用价值和实际意义。结合高频脉冲电弧焊和变极性电弧焊的特点，本文首次提出了快速变换复合超音频脉冲变极性电弧焊接的概念，即在获得过零无死区时间且具有快速电流上升沿和下降沿变化速率变极性方波电流的基础上，在正极性电流持续期间加入电流幅值达百安培以上的超音频直流脉冲方波电流，利用电流过零无死区时间的快速极性变换和超音频直流脉冲方波电流的共同作用，达到显著改善和提高高强度铝合金电弧焊接质量的目的。目前国内外有关这一方面的研究开展较少，甚至还是空白。本文采用一种并行模式复合变极性电源变换拓扑和数字化控制技术，成功研究开发出了一套新型变极性焊接电源系统，首次实现了过零无死区时间且具有快速电流上升沿和下降沿变化速率（ ≥50-100 A/µs）的复合超音频脉冲变极性方波电流输出，并实现了对电流全部特征参数的精确控制和灵活独立调节，且电流极性变换频率可达超音频段，完全满足铝合金实际电弧焊接的需要。本文定义了一个无量纲参数变量——脉冲电流比例系数，用于分析超音频直流脉冲方波电流特征参数对电弧行为和焊接过程的影响。本文采用试验研究方法掌握了复合超音频脉冲变极性TIG电弧的电学特性、电弧形态变化以及电弧对铝合金焊缝熔透成形的影响规律，分析了电流的快速极性变换过程对焊接电弧稳定性的影响。结果表明，电流过零无死区时间的快速极性变换和超音频直流脉冲方波电流的加入可显著提高焊接电弧的稳定性，并实现对电弧工作形态的有效控制，可在降低电弧热输入的条件下保证获得满意的焊缝熔透成形。基于研究开发的新型快速变换复合超音频脉冲方波变极性焊接电源系统，本文以2219-T87高强铝合金材料为试验对象，采用直接试验方法深入开展了快速变换复合超音频脉冲变极性TIG电弧的焊接适用性研究，研究并掌握了超音频直流脉冲方波电流特征参数对高强铝合金焊缝组织和接头力学性能的影响规律。结果表明，电流过零无死区时间的快速极性变换和超音频直流脉冲方波电流的加入可显著改善和提高高强铝合金的焊接质量。与常规变极性TIG焊接工艺相比，2219-T87焊接接头抗拉强度和断后伸长率分别提高约32.5%和138%。基于电磁场和声波理论，本文首次提出了熔池内超音频直流脉冲方波电流激发生成超声波的概念，并推导出理想条件下熔池内部超声波有关声压的一维波动方程和超声波声压方程，阐述了超音频直流脉冲方波电流对高强铝合金焊接质量的影响机制。理论分析认为，焊缝熔池内超音频直流脉冲方波电流与其自身的高频脉动感应磁场相互作用可激发生成具有一定声压强度的超声波，并呈现出在熔池中心区域超声波强度较大，而熔池边缘区域超声波强度较小的分布规律，且超声波的声压强度分布与脉冲电流的特征参数有密切关系。同时，超声波在熔池内可产生空化、声流效应和超声热效应，高强铝合金焊缝组织和力学性能的变化主要是三方面共同影响的结果。试验研究结果表明，本文成功研究开发出了一种适用于高强度铝合金材料的新型快速变换复合超音频脉冲变极性电弧焊接技术，填补了国内外在这一技术领域的空白，为该项技术在航空、航天、军事和民用工业等领域的实际工程应用奠定了技术和理论基础。