范靈利++劉恒

摘 要：鎢極氬弧焊是現(xiàn)代工業(yè)制造中廣泛采用的一種惰性氣體保護(hù)焊，電弧與熔池的交互作用在兩者之間形成了一個(gè)不斷移動(dòng)變化的自由界面。本文研究GPCA-TIG 焊接法對(duì)焊接電弧及焊縫成形的作用，運(yùn)用建立的三維統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型對(duì)TIG焊接電弧與熔池進(jìn)行了動(dòng)態(tài)耦合數(shù)值模擬。有效避免氧化燒損，達(dá)到增加熔深的目的。

關(guān)鍵詞：氣體；熔池；耦合； GPCA-TIG

中圖分類號(hào)：TG401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0067-01

氣體熔池耦合活性TIG焊即GPCA-TIG焊，對(duì)界面的處理是實(shí)現(xiàn)電弧與熔池交互耦合的關(guān)鍵。通過主要工藝參數(shù)對(duì)焊縫熔深和深寬比的影響，揭示電弧-熔池相互作用的機(jī)制以及電弧-熔池動(dòng)態(tài)行為的基本規(guī)律。常規(guī)TIG焊完成單道焊一次成形的板厚小，在相同參數(shù)下同時(shí)采用該方法，可以更為準(zhǔn)確地模擬分析電弧與熔池行為以及預(yù)測(cè)焊縫的形狀。在考慮界面變形的情況下，該方法具有焊接效率高、焊縫質(zhì)量較好等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于不銹鋼和鈦、鋁、鎂及其合金的焊接，對(duì)焊接虛擬制造工程的應(yīng)用具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。

1 氣體熔池耦合活性TIG焊電弧概述

氣體熔池耦合活性TIG焊接方法將氣體分兩層流動(dòng)，電弧與熔池不斷交互耦合。與常規(guī)TIG焊方法相比，GPCA-TIG焊能顯著增加傳統(tǒng)焊接方法的熔深，提高焊接效率。將活性元素引入熔池金屬，降低焊接能耗與成本。但因存在針對(duì)不同母材金屬需要不同專用活性劑材料，限制了其推廣應(yīng)用。氣體熔池耦合活性TIG焊接方法，改變?nèi)鄢乇砻鎻埩囟认禂?shù)是活性劑增加焊縫熔深的主要機(jī)理。通過改變外層氣體與熔池的耦合程度，采用內(nèi)外噴嘴將含活性元素O的氣體與惰性氣體分開。將焊接電弧與熔池結(jié)合在一起，通過電弧的作用分解出O元素深入了解焊接過程。提高了焊接過程穩(wěn)定性，推進(jìn)電弧-熔池?cái)?shù)值模擬分析的理論研究。電弧與熔池不斷交互耦合，可以微量調(diào)節(jié)進(jìn)入熔池表面的活性元素O。對(duì)于碳鋼和不銹鋼等鐵系合金而言，氣體熔池耦合活性TIG焊電弧顯著增加焊接熔深。

2 試驗(yàn)方法

本文針對(duì)SUS304 奧氏體不銹鋼采用GPCA-TIG焊進(jìn)行試驗(yàn)，試件尺寸為200mm×80mm×8mm。內(nèi)層保護(hù)氣體為氬氣，氮?dú)鉃橥鈱颖Ｗo(hù)氣體。除去表面油污后用砂紙清理表面，保留 N元素在高溫熔池內(nèi)的分布狀態(tài)。焊接前先用丙酮擦拭工件表面，試驗(yàn)過程中采用試件底部噴水的方法。待焊件冷卻至室溫后，對(duì)高溫熔池進(jìn)行驟冷處理，直到露出金屬光澤為止。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

GPCA-TIG焊接工藝參數(shù)為焊接電流160A，試驗(yàn)過程中焊槍和驟冷噴水噴嘴保持不動(dòng)。氬氣氣體流量為10L/min，外層氣體流量為5L/min。焊接試樣進(jìn)行背面噴水驟冷，鎢極伸出長度3mm且弧長2mm。通過焊接速度60mm/min，熔池截面形貌情況確定出最佳工藝。

3 試驗(yàn)結(jié)果

焊接電弧形態(tài)、焊縫表面形貌分別如圖2、圖3所示，表面活性元素可降低熔池金屬表面張力。與常規(guī)TIG焊相比GPCA-TIG焊時(shí)焊接過程穩(wěn)定，顯著增加熔深。并且GPCA-TIG焊電弧的外圍收縮明顯，強(qiáng)烈降低熔池金屬表面張力。二者電壓分別為12.8，15.4V，電弧均為典型的鐘罩形態(tài)。GPCA-TIG焊焊縫深而窄，可將不銹鋼板不開坡口一次性焊透。更加有效地將電弧熱量傳向熔池底部，并且GPCA-TIG焊焊縫內(nèi)未發(fā)現(xiàn)氧化物夾雜和氣孔等缺陷存在。

4 結(jié)語

在考慮界面變形的情況下，采用GPCA-TIG焊方法熔寬明顯收縮。耦合分析電弧與熔池行為特征，焊縫表面成形良好。通過微量調(diào)節(jié)外層活性氣體氧的含量避免焊接過程中氧化燒損，深入了解焊接過程。焊縫熔深隨內(nèi)層保護(hù)氣體流量的增加，因此GPCA-TIG焊方法具有一定的實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)

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