電弧輔助活性焊電弧熔池耦合行為研究.pdf

1、電弧輔助活性TIG（Arc assisted Activating TIG）焊，即AA-TIG焊，是一種新型高效的焊接方法。它采用輔助電弧預熔焊道表面后再進行 TIG焊，可使熔深顯著增加。為增加熱輸入，將焊槍靠近形成耦合電弧或者采用單焊槍雙鎢極，即所謂的耦合電弧AA-TIG焊接法。由于這種方法不用涂覆活性劑，因此更易于實現(xiàn)自動化。此外，在大電流和較高的焊接速度下，耦合電弧AA-TIG焊能夠抑制駝峰和咬邊等焊接缺陷。雖然在氧化層的冶金反應

2、過程和熔池的流動特性等方面進行了初步的研究，但是對電弧特性和熔池行為及其它們之間的相互作用還缺乏深入的認識。另外，試驗研究很難給出全面的信息，且試驗時間較長，試驗成本高。本文針對AA-TIG焊接方法，在實驗研究的基礎上，結合數(shù)值模擬方法，對電弧、熔池以及兩者的耦合行為進行研究。
　　針對耦合電弧AA-TIG焊接法，采用靜態(tài)小孔法研究了焊接電流、弧長、鎢極間距、氧氣流量等對陽極表面耦合電弧壓力的影響，獲得了耦合電弧壓力特性。結果表明

3、，耦合電弧壓力與相同條件下的 TIG電弧相比明顯降低，弧長增加導致電弧壓力減小，隨著鎢極間距的增加，電弧壓力分布由單峰向雙峰過渡，而氧氣的混入使電弧壓力略微增加。采用探針法研究了耦合電弧陽極電流密度分布，發(fā)現(xiàn)了與電弧壓力分布變化類似的規(guī)律。在此基礎上，建立了耦合電弧的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，采用FLUENT求解，模擬結果與已有的實驗結果和理論研究較好吻合。模擬研究了雙鎢極耦合電弧和雙焊槍耦合電弧特性。結果表明，耦合電弧的溫度、等離子流速、電弧

4、壓力、等離子流拉力和電流密度與相同條件下的 TIG電弧相比明顯減小；耦合電弧陽極表面的電流密度和電弧壓力偏離了傳統(tǒng)的高斯分布。當鎢極承載不同的電流時，耦合電弧高溫區(qū)域靠近大電流鎢極側，小電流鎢極側的等離子流被明顯地拉向大電流鎢極側，有利于耦合電弧 AA-TIG焊接時氧等離子向熔池前部的傳輸。
　　在三維電弧數(shù)學模型的基礎上，建立了包括鎢極（陰極）、電弧和母材（陽極）的電弧-熔池統(tǒng)一模型,研究了分離電弧AA-TIG焊電弧和熔池行為，

5、并引入格拉曉夫數(shù) Gr、磁雷諾數(shù) Rm和表面張力雷諾數(shù) Ma分析了浮力、電磁力、等離子流拉力和Marangoni切應力的相對作用大小。結果表明，熔池驅動力的作用大小依次為：Marangoni切應力，等離子流拉力，電磁力，浮力。引入Peclet數(shù)Pe并結合計算結果，表明熱對流在熔池熱傳遞中起主要作用；表面張力溫度系數(shù)的改變是導致熔深增加的根本原因，而熱對流方向的改變是直接原因；AA-TIG焊熔池流動與傳熱的改變并沒有對電弧產(chǎn)生明顯的影響。

6、AA-TIG焊時，由于熔池金屬的由外向內流動，熔寬比TIG焊時有較小收縮。
　　將建立的電弧-熔池統(tǒng)一模型應用到耦合電弧 AA-TIG焊，模擬研究了焊接電流和鎢極間距等對耦合電弧和熔池特性的影響。結果表明：耦合電弧表現(xiàn)出非對稱性，由此使得熔池表面的電流密度、熱流密度、等離子流拉力和Marangoni剪切力等表現(xiàn)出非軸對稱分布的特點；鎢極間距對耦合電弧的溫度、等離子流動、陽極電弧壓力、等離子剪切力和陽極電流密度和熱流密度等有顯著的影

7、響，而陽極總熱輸入幾乎不變。隨著鎢極間距的增加，熔池輪廓逐漸被拉長，熔池內出現(xiàn)多個環(huán)流。電磁力和等離子流拉力驅動的熔池流動速度相當，但是方向相反，浮力作用最小，熔池Marangoni剪切力遠大于氣體剪切力，因而決定了熔池的流動。熔池表面張力溫度系數(shù)改變導致Marangoni剪切力方向逆轉，是耦合電弧AA-TIG焊熔深增加的根本原因，不銹鋼熔池熱對流主導的傳熱過程是直接原因。與兩鎢極承載相同電流時相比，當改變鎢極承載電流而總電流不變時，電

8、弧等離子流動和溫度有明顯變化，而熔池流動和熔池形貌的改變較小。耦合電弧 AA-TIG焊熔池行為的變化對電弧行為幾乎無影響。數(shù)值模擬的結果與已有的實驗結果較好吻合。
　　進行了耦合電弧AA-TIG高速焊實驗，并測試了熔池表面張力，結合耦合電弧特性和熔池傳熱和流動特性研究了耦合電弧 AA-TIG高速焊焊縫成形改善的機理。結果表明，耦合電弧AA-TIG焊可以在大電流下實現(xiàn)較高速度焊接，無駝峰和咬邊缺陷，且焊縫熔深有所增加。輔助電弧引入氧