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(yù)熔焊道表面后再進(jìn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(yīng)

2、過程和熔池的流動(dòng)特性等方面進(jìn)行了初步的研究，但是對(duì)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(rèn)識(shí)。另外，試驗(yàn)研究很難給出全面的信息，且試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高。本文針對(duì)AA-TIG焊接方法，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬方法，對(duì)電弧、熔池以及兩者的耦合行為進(jìn)行研究。
　　針對(duì)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(zhǎng)、鎢極間距、氧氣流量等對(duì)陽(yáng)極表面耦合電弧壓力的影響，獲得了耦合電弧壓力特性。結(jié)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(zhǎng)增加導(dǎo)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(yáng)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(chǔ)上，建立了耦合電弧的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，采用FLUENT求解，模擬結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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?。获詈想娀￡?yáng)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(dāng)鎢極承載不同的電流時(shí)，耦合電弧高溫區(qū)域靠近大電流鎢極側(cè)，小電流鎢極側(cè)的等離子流被明顯地拉向大電流鎢極側(cè)，有利于耦合電弧 AA-TIG焊接時(shí)氧等離子向熔池前部的傳輸。
　　在三維電弧數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了包括鎢極（陰極）、電弧和母材（陽(yáng)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(yīng)力的相對(duì)作用大小。結(jié)果表明，熔池驅(qū)動(dòng)力的作用大小依次為：Marangoni切應(yīng)力，等離子流拉力，電磁力，浮力。引入Peclet數(shù)Pe并結(jié)合計(jì)算結(jié)果，表明熱對(duì)流在熔池?zé)醾鬟f中起主要作用；表面張力溫度系數(shù)的改變是導(dǎo)致熔深增加的根本原因，而熱對(duì)流方向的改變是直接原因；AA-TIG焊熔池流動(dòng)與傳熱的改變并沒有對(duì)電弧產(chǎn)生明顯的影響。

6、AA-TIG焊時(shí)，由于熔池金屬的由外向內(nèi)流動(dòng)，熔寬比TIG焊時(shí)有較小收縮。
　　將建立的電弧-熔池統(tǒng)一模型應(yīng)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(duì)耦合電弧和熔池特性的影響。結(jié)果表明：耦合電弧表現(xiàn)出非對(duì)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(duì)稱分布的特點(diǎn)；鎢極間距對(duì)耦合電弧的溫度、等離子流動(dòng)、陽(yáng)極電弧壓力、等離子剪切力和陽(yáng)極電流密度和熱流密度等有顯著的影

7、響，而陽(yáng)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(zhǎng)，熔池內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)環(huán)流。電磁力和等離子流拉力驅(qū)動(dòng)的熔池流動(dòng)速度相當(dāng)，但是方向相反，浮力作用最小，熔池Marangoni剪切力遠(yuǎn)大于氣體剪切力，因而決定了熔池的流動(dòng)。熔池表面張力溫度系數(shù)改變導(dǎo)致Marangoni剪切力方向逆轉(zhuǎn)，是耦合電弧AA-TIG焊熔深增加的根本原因，不銹鋼熔池?zé)釋?duì)流主導(dǎo)的傳熱過程是直接原因。與兩鎢極承載相同電流時(shí)相比，當(dāng)改變鎢極承載電流而總電流不變時(shí)，電

8、弧等離子流動(dòng)和溫度有明顯變化，而熔池流動(dòng)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(duì)電弧行為幾乎無(wú)影響。數(shù)值模擬的結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果較好吻合。
　　進(jìn)行了耦合電弧AA-TIG高速焊實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試了熔池表面張力，結(jié)合耦合電弧特性和熔池傳熱和流動(dòng)特性研究了耦合電弧 AA-TIG高速焊焊縫成形改善的機(jī)理。結(jié)果表明，耦合電弧AA-TIG焊可以在大電流下實(shí)現(xiàn)較高速度焊接，無(wú)駝峰和咬邊缺陷，且焊縫熔深有所增加。輔助電弧引入氧