本项目成果面向我国载人航天工程，主要根据长寿命、高可靠大型空间飞行器铝合金密封舱体结构高精度和高可靠制造需求，在国家自然科学基金、国家科技重大专项、北京市科技攻关和航天科技集团项目支持下，以VPPA 焊接技术中变极性电弧物理的理论突破、穿孔熔池稳定性控制的技术突破和穿孔非稳态过程的宏微融合控制创新三点为核心，形成一套“设备—工艺—系统”的完整产品技术线，并成功研发出具有自主产权的变极性等离子弧焊接系统。本成果的相关技术打破了国外技术封锁，获得授权国家发明专利14 项、实用新型18 项、软件著作权1 项，在国内国际杂志上发表论文80 余篇，出版专著2 部，制定国家强制标准1 项（附件37）；经中国机械工业联合会组织专家鉴定认为，项目成果总体达到国际先进水平，其中铝合金变极性等离子弧电流波形控制技术和穿孔熔池稳定技术处于国际领先地位。成果为国家重大工程服务：开发完成的铝合金大型薄壁壳体变极性等离子弧焊接成套装备，显著地减少了焊接变形和焊接缺陷，保证了我国“天宫一号”、“新型运载火箭”等国家重大工程项目关键构件焊接制造的顺利实施。北京工业大学成为国内唯一能够独立提供自主知识产权的穿孔等离子立焊装备及工艺成套解决方案的单位。一、主要实现的技术进步：1.在变极性等离子弧的燃弧和稳弧机理上取得理论突破，探明变极性电弧瞬态零流稳弧机理，采用电压和电弧脉冲联合稳弧技术和维弧通路截止消除双弧技术，成功解决了主、维弧双弧干涉问题，保证焊接过程中的弧源系统稳定性，与国外同类焊接设备相比电弧稳定性更高，具有竞争优势。2.在穿孔熔池的稳定性控制上取得技术突破，通过电流波形与离子气协同调制，使工艺窗口扩大三倍以上，并实现3毫米以下薄板焊接，保证焊接过程中的弧孔稳定性，焊接工艺优于国外同类产品，达到国际领先水平。3.利用机器回路和人在回路的宏微融合实现穿孔非稳态控制，满足了变极性等离子弧立焊的高定位精度的工程需求，通过多参数协同解决了焊接起收弧过程中非稳态控制的难题，保证封闭曲线焊缝的全过程穿孔焊接，使铝合金大型薄壁壳体变极性等离子穿孔立焊接成套装备达到国际先进水平。二、关键技术创新点本项目成功研究并开发出具有自主产权的变极性等离子弧焊接专用电源，攻克了变极性等离子弧的过零稳弧和双弧干涉抑制、穿孔熔池稳定控制和穿孔过程中多状态调整等难题，提出并实现了铝合金大型薄壁壳体结构穿孔焊接成套技术解决方案。主要创新点如下：1.率先在变极性等离子弧的燃弧和稳弧机理上取得理论突破，探明变极性电弧瞬态零流稳弧机理，采用“电压+电流”脉冲联合稳弧技术和维弧通路截止消除双弧技术，保证了VPPA 焊接的电弧稳定性；探明等离子弧零流瞬时行为机理，利用逆变电源快速响应加快电流过零速度，并在换向时采用“电压+电流”脉冲联合稳弧技术使电弧空间保持在较高温度和电离度，保证VPPA 电弧焊铝的过零稳弧；提出电极和喷嘴之间的电击穿后出现双弧的根本原因是维弧电源通路提供了主电弧的旁路通道，并采用维弧通路物理截止方法从根本上避免了变极性等离子弧焊接中的双弧问题，保证载人航天器中超长复杂焊缝对焊接电源提出的长时间连续稳定工作的要求。旁证材料：授权专利ZL200810105402.2；ZL 200810057381.1；ZL201320314044.2；相关论文。2.在穿孔熔池的稳定性控制上取得技术突破，发现了等离子射流和电流的可分离特性，原创性提出了“空心沙漏”穿孔熔池稳定性控制模型，保证等离子弧穿孔熔池始终处于稳定过渡区间；发现了等离子弧的等离子射流和电流的可分离特性，提出等离子弧的电弧刚性概念，原创性提出了“空心沙漏”穿孔熔池控制模型，在变极性等离子焊接电弧力学性能和能量分布测试的基础上，通过电流波形与离子气协调控制熔池热力状态，以多元力学反馈送丝控制焊丝填充保证传质稳定，保证等离子弧穿孔熔池始终处于稳定区间，通过合理匹配热质力参数使变极性等离子弧焊接工艺窗口扩大三倍以上。旁证材料：授权专利ZL200910086206.X；ZL 201010130585.0；相关论文。3：首先将环境保护思想引入逆变焊接电源的设计中，提出“绿色焊接电源”的概念，提高焊机的可靠性与电磁兼容性，奠定成套焊接解决方案的基础；解决以往双逆变器并联提高电源容量的并联均流及由此造成复杂控制问题，采用软开关功率变换技术和嵌入式软件控制技术，设计开发了脉冲调制变极性等离子弧焊接电源系统，设计了软件电流发生器，实现任意的波形输出。通过电源工作状态判定，进行最大占空比的自适应控制，保证最高功率输出时电源工作在软开关状态。改变以往采用双逆变器并联方式来提高电源容量方法，提出一种新型的双变压器自均流型逆变主电路拓扑结构，具有自均流能力而无需附加的均流控制电路，提高了电源容量并保证了可靠性。采用三相功率因数校正技术和传导骚扰抑制技术提高了电源的电磁兼容性。旁证材料：授权专利ZL201110351914.9；ZL200910081261.X；软件著作权2008SRBJ1083（附件36）；相关论文。4：创新性的采用了机器回路和人在回路的宏微融合控制，满足了变极性等离子弧立焊高定位精度的工程需求，解决了焊接过程中非稳态等离子弧行为控制难题，实现穿孔焊接全过程可控；在过程控制上，设计了多参数协调的焊接起弧收孔程序，将焊接时序控制、工艺参数控制、路径控制和焊枪姿态、焊接过程实时调整、安全控制、焊接过程监测进行集成创新，提出并实现了铝合金大型薄壁壳体焊接成套技术解决方案，通过多参数协同解决了焊接起收弧过程中非稳态控制的难题，设计开发了变极性等离子弧专用焊接机头，利用机器回路和人在回路结合，实现了宏、微融合，满足了变极性等离子弧立焊的高定位精度的工程需求，保证了封闭曲线焊缝的全过程稳定穿孔焊接。旁证材料：见授权专利ZL200810226732.7（附件3）；L200810078623.5（附件35）；相关论文。本成果的电气性能指标和国外进口电源在同一技术水平，具有竞争优势；在焊接工艺对比上，本成果在中薄板焊接上优势明显，已经突破了3 毫米以下铝板不能采用VPPA 穿孔焊接的禁区，在运载火箭助推段和神舟飞船的蒙皮结构上都应实现了小于3 毫米铝合金优质的拼板焊接。本成果开发的空间曲线焊缝VPPA 穿孔立焊装备，通过集成开发一种专用焊接机头，防撞器巧妙的运用了导丝机构在最前端而设计使其兼具防撞传感功能；焊接机头的±0.1mm 的控制精度恰恰弥补了多轴联动自动化焊接系统的运动控制精度的不足问题，上述创新技术可以达到国际先进水平。本成果在自主开发核心焊接电源的基础上进行大量等离子弧焊接工艺和理论研究，目前成功实现仅依靠电气参数控制完成焊接起弧收孔，并在环缝焊接中实现首尾搭接完美闭合，并能提供全套接口和技术资料，而其他两家厂商仅提供设备基础硬件，基本无法对焊接电源进行系统集成和二次开发。三、社会效益与间接经济效益1.社会效益（1）打破国外技术封锁，为国家重大工程服务美国对中国航天技术的崛起一直深感忧虑并怀有戒心，为防止我国获得更为先进的太空探索技术，拒绝中国参与国际空间站计划，迫使我国的载人航天必须立足自主研发。长期在轨航天器的密封性要求，使铝合金薄壁壳体结构必须使用焊接装配。我国航天工程早期的TIG 焊接工艺虽然可以使焊接接头性能达到短期在轨的设计指标要求，但难以保证载人航天器的尺寸精度和重量控制，无法满足长期在轨服役的密封性和高精度、高可靠制造需求。铝合金变极性等离子弧（VPPA）焊接技术，综合了变极性TIG 焊和等离子弧焊两方面的优点，弥补了激光焊接的气孔问题，回避了电子束焊接的“真空室”要求，和搅拌摩擦焊接相比较其设备简单，操控性好（由于搅拌摩擦焊接的疲劳寿命问题国际空间站采用的也是等离子焊接工艺），在焊接大型中等厚度铝合金壁板结构方面，采用变极性等离子焊接技术是最佳的解决方案，在国外航天器制造领域已得到成功应用，具有不可替代的地位，是载人航天二期工程的空间实验室和载人航天三期工程的空间站制造最适用的技术。但是，在立项初期，国内对VPPA 焊接技术的研究尚处于起步阶段，某些航天大国设置了种种障碍阻碍我国提高航天制造业技术水平，虽可提供VPPA 焊接设备但价格动辄上千万元且不提供工艺支持，关键技术受制于人，航天制造企业难以获得成套的解决方案来完成大型密封舱的焊接装配。因此迫切需要在VPPA 焊接工艺及装备技术方面获得自主知识产权的突破，打破国外严密技术封锁的尴尬境地。本研究成果在电气性能指标上与国外同类焊接设备处于同一水平并具有竞争优势，中薄板的穿孔等离子弧立焊工艺技术水平优于国外同类产品，整体VPPA 穿孔焊接的工艺技术水平国际领先。本项目成果解决了大型航天器主体结构焊装合格率低下的瓶颈问题，极大提高了航天产品的装备制造能力，从而打破了国外对我国的技术封锁，也打破了我国高端制造装备依赖国外进口产品而受制于人的局面，实现关键装备的自主化。项目成果在我国航天产业获得了良好的应用，保证了我国“天宫一号”、“新型运载火箭”等国家重大工程项目的顺利实施，为我国自主建设空间站及交互对接提供了有效保障，展示了我国科技实力和创新水平，极大提高了民族凝聚力和民族自豪感，为增强我国国防实力及空间探索能力做出了无法估量的贡献。（2）提升高端装备制造能力，建立产学研用合作创新之路项目成果变极性等离子弧焊接系统在北京卫星制造厂及首都航天机械公司服役，其中焊接电源技术转让给北京时代科技股份有限公司，极大促进装备成套服务、关键环节高端化。本课题主要亮点是科研成果转化效果显著，完全可以探索出一条产学研用合作的科技创新之路。（3）科研设备具有自主知识产权，提升我国科学研究自主创新能力本成果已应用在哈工大、清华、哈焊所、成焊所及内工大等多家科研单位，使我国科研单位摆脱依靠进口设备平台进行科学研究的局面，必将在变极性等离子弧研究领域取得更大突破。2.经济效益：项目的科研开发经费收入达3000 万元，北京卫星制造厂自2005 年与北京工业大学开展产学研合作，2007年变极性等离子焊接设备正式承担国家航天任务，共创造直接经济效益超过3.0亿元。课题成果中的软开关焊接电源技术转让给北京时代科技和杭州凯尔达电焊机等国内著名企业，相关产品创造经济效益5.6 亿元以上。项目成果在航天科技集团重点企业北京卫星制造厂应用4 台套，并成功实现国家重要航天装备天宫一号的焊装任务，为我国空间交会对接和自主建设空间站提供了有效保障，并获载人航天总体部赠送的“保对接携手同心，征天宇共创辉煌”锦旗，表彰采用自主知识产权科研成果直接服务国家重大工程建设。项目成果在11 年解密后，在首都航天机械公司应用2 台套，完成某新型运载火箭助推段壳体的焊装；上海航天制造总厂也引进本装备用以2219 铝合金的焊接研究；湖北三江航天红阳机电有限公司为解决某关键型号的导弹弹体铝合金焊缝的气孔和大尺度薄壁壳体结构的变形问题，引进本装备2 台套。哈尔滨工业大学、清华大学、哈尔滨焊接研究所、成都电焊机研究所、内蒙古工业大学等单位都引进了本成果的纵缝焊接系统作为基础科研设备，有效的提升我国科学研究自主创新能力；在科技成果转化中成功实现将高端装备从实验室走向工程，建立了产学研用合作的创新之路。3.间接经济效益本项目电源技术成果转让给北京时代、杭州凯尔达、山西经纬、无锡洲翔等十余家电焊机制造企业，仅前两家近三年相关产品的销售额达5.6 亿元，其他企业的经济效益没有统计，大大提高民族企业的核心竞争力，提高了我国民族企业在国际平台的地位。