雙鎢極氬弧焊耦合電弧物理特性及焊接工藝研究.pdf

1、鎢極氬弧焊(TIG)是一種高質(zhì)量的焊接方法，但這種方法的焊接效率低，通常只應(yīng)用于薄板焊接和厚板的打底焊中。如何在保持其優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提高它的焊接效率成為亟待解決的問題。在這種背景下，近年來出現(xiàn)了一種新的焊接方法－雙鎢極氬弧焊(Twin-electrodeTIG，T-TIG)。這種方法具有獨(dú)特的單槍雙鎢極結(jié)構(gòu)，使它的電弧由兩個(gè)電弧耦合而成，成為不同于常規(guī)TIG焊電弧的新型熱源，為提高其焊接效率奠定了基礎(chǔ)。本文深入研究了雙鎢極氬弧焊耦合電弧

2、的物理特性，并在此基礎(chǔ)上通過焊接工藝試驗(yàn)研究進(jìn)一步發(fā)掘其在高效率焊接領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性。
　　本文首先自主研制了雙鎢極氬弧水冷焊槍。焊槍內(nèi)同時(shí)容納兩個(gè)彼此絕緣的鎢極，鎢極間距小(1～6mm)且可調(diào)。水冷循環(huán)系統(tǒng)確保焊槍能夠長(zhǎng)時(shí)間承載大電流。以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建了雙鎢極氬弧焊焊接系統(tǒng)。在此平臺(tái)上，對(duì)雙鎢極氬弧焊耦合電弧的物理特性進(jìn)行了測(cè)量分析。物理特性包括：電弧形態(tài)、電弧壓力、陽極電流密度和電弧靜特性。
　　電弧形態(tài)觀測(cè)結(jié)果表明：由

3、于Lorentz力的作用，產(chǎn)生于相互絕緣鎢極的兩個(gè)獨(dú)立電弧體相互吸引合二為一，成為一個(gè)大弧，即耦合電弧。電弧爍亮區(qū)位于兩鎢極之間，此處為電弧溫度最高、電流密度最大的地方。耦合電弧形態(tài)脫離了軸對(duì)稱分布。鎢極形狀、電流大小、鎢極間距對(duì)耦合電弧的形態(tài)都有影響。調(diào)整兩個(gè)鎢極電流匹配形式可以使耦合電弧體發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
　　采用靜態(tài)小孔法對(duì)耦合電弧壓力進(jìn)行測(cè)定。測(cè)量結(jié)果顯示，相同焊接參數(shù)下，耦合電弧壓力峰值小于常規(guī)TIG焊電弧。對(duì)電弧壓力產(chǎn)生機(jī)理

4、的數(shù)學(xué)推導(dǎo)指出，電弧體上端面面積增大和電流密度分布不集中是耦合電弧壓力減小的主要原因。焊接參數(shù)對(duì)電弧壓力的影響很大，影響因素的正交分析表明，焊接電流仍是影響耦合電弧壓力的最主要因素，鎢極間距次之，電弧弧長(zhǎng)影響程度最小。
　　利用探針法測(cè)量了耦合電弧的陽極電流密度分布。結(jié)果表明，耦合電弧陽極電流密度最大值出現(xiàn)在電弧中心處，數(shù)值小于TIG焊單弧，并且隨著分布半徑的增大，電流密度值逐漸減小，并沒有因?yàn)閮蓚€(gè)鎢極的存在而使電流密度分布出現(xiàn)兩

5、個(gè)最大值，從而驗(yàn)證了兩個(gè)電弧已經(jīng)合二為一，形成了統(tǒng)一的電弧對(duì)工件產(chǎn)生作用。
　　本文首次對(duì)耦合電弧電弧壓力和陽極電流密度進(jìn)行了二維測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，在實(shí)際焊接中通常采用的小鎢極間距下，它們的二維分布均脫離了中心對(duì)稱形式，呈現(xiàn)近似的橢圓形分布，且橢圓長(zhǎng)軸與鎢極排列方向垂直。耦合電弧中兩電弧強(qiáng)烈的相互吸引和偏鎢極對(duì)兩電弧的導(dǎo)向作用造成耦合電弧沿鎢極排列方向被壓縮是導(dǎo)致這樣分布的根源。對(duì)于陽極電流密度來說，在橢圓的長(zhǎng)軸和短軸上，電流密

6、度近似符合高斯分布，這種分布形式為確定耦合電弧熱源模型提供了依據(jù)。
　　研究發(fā)現(xiàn)，耦合電弧在相同電流下的電壓均低于TIG焊單弧。其原因是耦合電弧中兩個(gè)電弧相互之間的熱作用造成了電弧空間的電離度高于單弧，從而只需要較小的電弧電壓就可維持相同的焊接電流。
　　根據(jù)以上耦合電弧物理特性的研究結(jié)果，結(jié)合厚紫銅板工件溫度場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，確定了耦合電弧的熱源分布模型。認(rèn)為小鎢極間距下，耦合電弧熱源符合橢圓形分布，橢圓的長(zhǎng)軸與焊接方向相同，且

7、通過橢圓中心的任意一條直線上的熱流密度呈高斯分布。焊接熱過程數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了熱源模型的合理性。
　　最后，本文對(duì)這種方法在高速焊接和高熔敷速度焊接兩個(gè)方面進(jìn)行了工藝試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，雙鎢極氬弧焊具有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)使其能夠應(yīng)用于以上兩個(gè)方面，分別式小電弧壓力、沿焊接方向拉長(zhǎng)的熱源輸入分布和雙鎢極的排列方式。幾個(gè)方面聯(lián)合作用，使雙鎢極氬弧焊在高速焊時(shí)，易于維持熔池液面穩(wěn)定，避免咬邊和駝峰等成形缺陷的出現(xiàn)；在高熔敷