鎢極幾何特征對(duì)電弧與熔池?zé)崃π袨榈挠绊?/h1>
2023-08-18 07:25:10楊義成杜兵黃繼華陳健徐富家黃瑞生
焊接學(xué)報(bào) 2023年8期
楊義成，杜兵，黃繼華，陳健，徐富家，黃瑞生
(1.中國機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán),北京,100044；2.北京科技大學(xué),材料先進(jìn)焊接與連接技術(shù)研究室,北京,100831；3.中國機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028)
0 序言
鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsten inert gas，TIG)是依靠鎢極和工件之間穩(wěn)定引燃的高溫電弧熔化基體形成液態(tài)熔池，凝固后形成焊縫，完成金屬的焊接，該方法具有焊接電弧穩(wěn)定性高，焊接過程幾乎無飛濺等技術(shù)優(yōu)勢，在航空航天、能源裝備、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛[1-2].以鎢極氬弧為基礎(chǔ)提出的空心鎢極電弧焊(hollow cathode arc welding，HCAW) 最早可追溯到上世紀(jì)60 年代，由美國麻省理工學(xué)院和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者共同提出，并圍繞其在真空環(huán)境下的電弧特性開展了初步研究，證實(shí)了空心鎢極電弧可以在真空環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定燃燒，為空心鎢極在熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3].近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者圍繞空心鎢極電弧特性開展了相關(guān)研究，日本大阪大學(xué)的Tashiro等人[4]研究了空心鎢極內(nèi)孔不同氣體流量下的電弧特性，指出空心鎢極尖端發(fā)射電子區(qū)域較大，其電極附近的電流密度要低于常規(guī)鎢極，且電弧溫度只有常規(guī)鎢極的60%，有利于電極的長時(shí)間工作；楊義成等人[5]在以往的研究中對(duì)空心鎢極電弧的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)大氣環(huán)境下空心鎢極電弧的溫度場分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6]，并對(duì)焊絲和電弧的相互作用過程進(jìn)行了深入分析[7]；韓國科學(xué)技術(shù)院Cho 等人[8]基于光學(xué)輻射強(qiáng)度、溫度和電流密度的物理關(guān)系，確定了電弧熱流密度、電弧壓力和電流密度的分布特征，并構(gòu)建理論模型分析了真空環(huán)境下熔池的特性；北京工業(yè)大學(xué)陳樹君等人[9]利用高速攝像和高靈敏度傳感器對(duì)比分析了常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓時(shí)電弧的壓力分布特點(diǎn)，指出空心鎢極內(nèi)孔形成負(fù)壓后對(duì)電弧形態(tài)影響較大，其電弧壓力小于常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極電弧，且空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓電弧的壓力分布特征更加均勻，數(shù)值模擬結(jié)果表明，內(nèi)孔負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，電弧的拘束度增加，沿著電弧徑向的溫度分布梯度也逐漸增大[10]，此外，負(fù)壓環(huán)境下電弧收縮，焊縫熔寬小，熔深大[11]；Jiang 等人[12]設(shè)計(jì)了空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓下電弧能量測試試驗(yàn)，結(jié)果表明，負(fù)壓下電弧中心區(qū)域的能量分布較為均勻，電弧邊緣位置的能量梯度增加，且在該狀態(tài)下陰極產(chǎn)生的能量增加，而用于基體的陽極能量下降.
綜上所述，空心鎢極幾何特征使電弧熱力特性發(fā)生較大變化，對(duì)電弧物理特性的深入分析則是調(diào)控?zé)嵩础?shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)焊接的前提.為此，構(gòu)建實(shí)心鎢極和空心鎢極的電弧與熔池的強(qiáng)耦合分析模型，分析兩種鎢極形態(tài)對(duì)電弧熱力行為及其熔池的影響機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)空心鎢極電弧及其同軸填絲焊接技術(shù)的調(diào)控具有重要意義.
1 試驗(yàn)方法
焊接用基體材料為碳鋼板，牌號(hào)為Q235，焊接前利用機(jī)械加工的方法清除氧化皮，并用酒精去除待焊區(qū)的油污，試驗(yàn)用保護(hù)氣體為工業(yè)用高純度氬氣.試驗(yàn)用空心鎢極的內(nèi)孔為通孔，采用機(jī)械加工的方法制備，外徑為?6 mm，內(nèi)孔直徑為?3 mm，所用實(shí)心鎢極的外徑為?3 mm.
焊接過程中采用高速攝像實(shí)時(shí)觀察電弧形態(tài)及液態(tài)熔池表面的形態(tài)，該高速攝像由英國IX 公司生產(chǎn)，型號(hào)為i-SPEED7，高速攝像拍攝幀數(shù)為2 000 幀/s，曝光時(shí)間為60 s，具體試驗(yàn)過程如圖1 所示.首先，采用試驗(yàn)方法對(duì)比分析空心鎢極與實(shí)心鎢極在相同焊接電流下的電弧形貌特征、電弧與熔池的相互作用過程，以及焊縫的成形特征；其次，利用COMSOL 數(shù)值模擬軟件，基于有限元理論分析方法，構(gòu)建理論模型對(duì)不同幾何特征鎢極形成電弧的熱/力行為進(jìn)行分析，著重從電弧壓力和溫度場分布兩個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析.
圖1 試驗(yàn)過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing process
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 鎢極幾何特征對(duì)熔池行為的影響
鎢極作為電子的發(fā)射材料，其末端形狀對(duì)電弧形貌影響較大.相較于實(shí)心鎢極尖端的點(diǎn)發(fā)射特征，空心鎢極末端的電子發(fā)射區(qū)是一個(gè)具有一定特征尺寸的平面區(qū)，該特征必然使其從宏觀形貌上與實(shí)心鎢極電弧存在一定差異,同時(shí)電弧作為焊接過程中的熱源，其形貌特征在很大程度上也反映出了電弧內(nèi)部多物理場(溫度場、壓力場、電磁場等) 的分布特征，是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵要素.
電流為350 A 時(shí)，實(shí)心鎢極與空心鎢極對(duì)電弧形態(tài)及其熔池特征的影響效果如表1 所示，可以看出實(shí)心鎢極的電子均從鎢極尖端附近很小的區(qū)域發(fā)射，電弧呈現(xiàn)出典型的上小下大，中間按照熱力學(xué)規(guī)律連續(xù)分布的鐘罩形特性；而空心鎢極由于中間存在一個(gè)中空區(qū)域，電子在空心鎢極末端較大的環(huán)狀區(qū)域發(fā)射，陰極末端和陽極表面的電弧區(qū)域面積均明顯大于實(shí)心鎢極.
表1 電弧形貌及熔池特征Table 1 Arc morphology and molten pool characteristics
從熔池表面的形態(tài)可以看出，實(shí)心鎢極由于電弧發(fā)射區(qū)域小，能量集中，使得熔池表面形成較大凹坑；而空心鎢極電弧下的熔池表面較為平整，無明顯的下凹區(qū)域，這直接說明空心鎢極電弧和實(shí)心鎢極電弧的熱力特性存在較大差異.
圖2 為焊接電流350 A 時(shí)，空心鎢極和實(shí)心鎢極焊縫的實(shí)際成形特征，可以看出實(shí)心鎢極在大電流焊接時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)周期性褶皺，且在收尾位置由于高溫液態(tài)熔池下凹區(qū)域較大，電弧熄滅后液態(tài)金屬快速凝固，來不及回流填充在焊縫尾部形成了一個(gè)較深的下凹區(qū)；而空心鎢極焊接時(shí)，由于液態(tài)熔池?zé)o明顯下凹區(qū)存在，流動(dòng)過程較為平穩(wěn)，熔池凝固后的焊縫表面也較為平整，焊縫收尾位置無明顯下凹特征存在.
圖2 空心鎢極與實(shí)心鎢極焊縫成形對(duì)比Fig.2 Comparison of weld formation between hollow tungsten electrode and solid tungsten electrode.(a) weld morphology of hollow tungsten electrode;(b) weld morphology of solid tungsten electrode
2.2 電弧壓力場分布特征
基于有限元理論，利用COMSOL 軟件分別建立了空心鎢極、實(shí)心鎢極電弧與熔池強(qiáng)耦合分析模型，著重研究不同鎢極特征下的熔池流速、電弧壓力和電弧流速的差異，其分析結(jié)果如圖3 所示.從電弧與熔池的強(qiáng)耦合分析結(jié)果可以看出，相較于空心鎢極，在實(shí)心鎢極電弧作用下焊縫熔深明顯加大，液態(tài)熔池表面出現(xiàn)明顯的下凹特征，空心鎢極電弧液態(tài)熔池表面無明顯下凹特征，這與實(shí)際觀察結(jié)果一致.理論分析結(jié)果指出，空心鎢極全場域電弧的壓力最大為404 Pa，實(shí)心物理電弧壓力高達(dá)3 780 Pa，實(shí)心鎢極電弧最大壓力是空心鎢極電弧壓力的9.4 倍；空心鎢極全場域電弧流速最大為65.2 m/min，實(shí)心鎢極電弧流速最大可以達(dá)到585 m/min，實(shí)心鎢極約是空心鎢極的9 倍；空心鎢極熔池的流速最大為0.25 m/min，實(shí)心鎢極熔池最大流速為0.46 m/min，實(shí)心鎢極熔池的最大流速約是空心鎢極的1.8 倍；此外實(shí)心鎢極焊接熔深約是空心鎢極焊接熔深的2 倍.
圖3 空心鎢極與實(shí)心鎢極電弧及熔池特性對(duì)比Fig.3 Arc and molten pool characteristics comparison between hollow tungsten electrode and solid tungsten electrode.(a) hollow tungsten electrode;(b) solid tungsten electrode
從上述不同物理場最大值分析數(shù)據(jù)可以看出，空心鎢極電弧與實(shí)心鎢極電弧的熱力特性之間存在較大差異，而該差異的產(chǎn)生是整個(gè)電弧場域內(nèi)不同的物理場按照電磁理論和熱力學(xué)規(guī)律演化的結(jié)果.為對(duì)兩種鎢極幾何特征的空間電弧壓力和溫度場分布有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，如圖4 所示，主要選取電弧中軸線和距試板表面上方一定距離b位置，沿水平方向的電弧壓力和溫度場的分布特征進(jìn)行量化分析，由于液態(tài)熔池在電弧力的作用下升高，因此b值選取不能過小，該工藝參數(shù)下b值定為1 mm.
圖4 電弧不同分析區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of different analysis areas of arc column
電弧中軸線上，自下而上距試板表面不同位置的溫度分布如圖5 所示，可以看出實(shí)心鎢極溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在距鎢極末端附近，距試板表面約2.2 mm，而空心鎢極電弧溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在電弧與試板表面的中間位置，距試板表面約1.6 mm，且空心鎢極電弧溫度最高點(diǎn)附近區(qū)域的溫度值相差不大.此外從圖5 可以看出，空心鎢極電弧中軸線溫度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在試板表面，而實(shí)心鎢極最低點(diǎn)出現(xiàn)在鎢極末端，這是因?yàn)樵趯?shí)心鎢極電弧力的作用下，熔池表面下凹，距試板表面0 mm 的位置依然是電弧，而空心鎢極的電弧力較小，試板表面基本是熔池與電弧的固氣交界面.
圖5 中軸線電弧溫度場分布特征Fig.5 Distribution characteristics of arc temperature field along the central axis
距試板表面1 mm 位置，沿水平方向?qū)嵭逆u極與空心鎢極的電弧溫度分布如圖6 所示.可以看出距中軸線 ±2 mm 左右的范圍內(nèi)，實(shí)心鎢極電弧隨著取樣點(diǎn)遠(yuǎn)離電弧中軸線電弧溫度快速下降，當(dāng)取樣點(diǎn)在該范圍之外時(shí)，電弧溫度下降的趨勢逐漸放緩；而空心鎢極電弧隨著取樣點(diǎn)遠(yuǎn)離中軸線，電弧溫度整體呈下降趨勢，但下降區(qū)域明顯小于實(shí)心鎢極.
圖6 距試板表面1.0 mm 電弧溫度場分布特征Fig.6 Distribution characteristics of arc temperature field at 1.0 mm from the surface of molten pool
2.3 電弧不同區(qū)域壓力場分布特征
沿電弧中軸線方向，空心鎢極電弧與實(shí)心鎢極電弧距試板表面不同距離處的電弧壓力分布特征如圖7 所示.電弧中軸線上，實(shí)心鎢極電弧的壓力分布特征顯著區(qū)別于空心鎢極，自試板表面到鎢極末端空心鎢極電弧呈現(xiàn)先降低、再增加、后又下降的壓力分布特征，呈現(xiàn)出N 形分布規(guī)律，壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)在距鎢極末端0.8 mm 位置；實(shí)心鎢極的電弧壓力分布自下而上是先降低、再增加，呈現(xiàn)出規(guī)律的U 形分布特征，壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)在鎢極電子發(fā)射尖端，即鎢極末端.
圖7 中軸線電弧壓力場分布特征Fig.7 Distribution characteristics of arc pressure field along the central axis
無論實(shí)心鎢極還是空心鎢極，距試板表面1 mm位置水平方向的電弧壓力分布同溫度場分布均呈現(xiàn)出典型的高斯分布特征(圖8)，但分布特點(diǎn)上存在較大差異.實(shí)心鎢極的電弧壓力在中心點(diǎn)為1 620 Pa，而空心鎢極中心點(diǎn)的壓力只有381 Pa，實(shí)心鎢極約是空心鎢極的4.3 倍；而自中心點(diǎn)向外±2.5 mm 位置，實(shí)心鎢極和空心鎢極的電弧壓力較為接近，分別為181.8 和132.5 Pa，這說明相較于空心鎢極的電弧壓力分布特征，距試板表面1 mm位置，水平方向?qū)嵭逆u極電弧壓力場下降的速率明顯快于空心鎢極；而這種高梯度的電弧壓力分布特征也是實(shí)心鎢極電弧作用下，液態(tài)熔池表面出現(xiàn)明顯下凹的主要原因.
圖8 距試板表面1.0 mm 電弧壓力分布特征Fig.8 Characteristics of arc pressure distribution at 1.0 mm from the surface of molten pool
3 結(jié)論
(1) 實(shí)心鎢極與空心鎢極電弧熱力場分布特征的差異使空心鎢極熔池呈現(xiàn)淺而寬的焊縫成形特征，實(shí)心鎢極熔池呈現(xiàn)出深而窄的焊縫成形特征.
(2) 沿電弧中軸線方向，實(shí)心鎢極電弧壓力分布呈U 形特征，空心鎢極呈N 形特征，實(shí)心鎢極電弧最大壓力位于鎢極末端，而空心鎢極電弧最大壓力位于鎢極末端約0.8 mm 位置.
(3) 距試板表面1 mm 的水平方向，電弧溫度和壓力分布均呈典型高斯分布特征，相較于實(shí)心鎢極，空心鎢極電弧溫度和壓力自中心線向外下降趨勢較為平緩.
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楊義成，杜兵，黃繼華，陳健，徐富家，黃瑞生
(1.中國機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán),北京,100044；2.北京科技大學(xué),材料先進(jìn)焊接與連接技術(shù)研究室,北京,100831；3.中國機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司,哈爾濱,150028)
0 序言
鎢極惰性氣體保護(hù)焊(tungsten inert gas，TIG)是依靠鎢極和工件之間穩(wěn)定引燃的高溫電弧熔化基體形成液態(tài)熔池，凝固后形成焊縫，完成金屬的焊接，該方法具有焊接電弧穩(wěn)定性高，焊接過程幾乎無飛濺等技術(shù)優(yōu)勢，在航空航天、能源裝備、石油化工等領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛[1-2].以鎢極氬弧為基礎(chǔ)提出的空心鎢極電弧焊(hollow cathode arc welding，HCAW) 最早可追溯到上世紀(jì)60 年代，由美國麻省理工學(xué)院和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者共同提出，并圍繞其在真空環(huán)境下的電弧特性開展了初步研究，證實(shí)了空心鎢極電弧可以在真空環(huán)境下進(jìn)行穩(wěn)定燃燒，為空心鎢極在熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[3].近年來，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者圍繞空心鎢極電弧特性開展了相關(guān)研究，日本大阪大學(xué)的Tashiro等人[4]研究了空心鎢極內(nèi)孔不同氣體流量下的電弧特性，指出空心鎢極尖端發(fā)射電子區(qū)域較大，其電極附近的電流密度要低于常規(guī)鎢極，且電弧溫度只有常規(guī)鎢極的60%，有利于電極的長時(shí)間工作；楊義成等人[5]在以往的研究中對(duì)空心鎢極電弧的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題進(jìn)行了論述，同時(shí)對(duì)大氣環(huán)境下空心鎢極電弧的溫度場分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究[6]，并對(duì)焊絲和電弧的相互作用過程進(jìn)行了深入分析[7]；韓國科學(xué)技術(shù)院Cho 等人[8]基于光學(xué)輻射強(qiáng)度、溫度和電流密度的物理關(guān)系，確定了電弧熱流密度、電弧壓力和電流密度的分布特征，并構(gòu)建理論模型分析了真空環(huán)境下熔池的特性；北京工業(yè)大學(xué)陳樹君等人[9]利用高速攝像和高靈敏度傳感器對(duì)比分析了常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓時(shí)電弧的壓力分布特點(diǎn)，指出空心鎢極內(nèi)孔形成負(fù)壓后對(duì)電弧形態(tài)影響較大，其電弧壓力小于常規(guī)鎢極電弧和空心鎢極電弧，且空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓電弧的壓力分布特征更加均勻，數(shù)值模擬結(jié)果表明，內(nèi)孔負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，電弧的拘束度增加，沿著電弧徑向的溫度分布梯度也逐漸增大[10]，此外，負(fù)壓環(huán)境下電弧收縮，焊縫熔寬小，熔深大[11]；Jiang 等人[12]設(shè)計(jì)了空心鎢極內(nèi)孔負(fù)壓下電弧能量測試試驗(yàn)，結(jié)果表明，負(fù)壓下電弧中心區(qū)域的能量分布較為均勻，電弧邊緣位置的能量梯度增加，且在該狀態(tài)下陰極產(chǎn)生的能量增加，而用于基體的陽極能量下降.
綜上所述，空心鎢極幾何特征使電弧熱力特性發(fā)生較大變化，對(duì)電弧物理特性的深入分析則是調(diào)控?zé)嵩础?shí)現(xiàn)高效優(yōu)質(zhì)焊接的前提.為此，構(gòu)建實(shí)心鎢極和空心鎢極的電弧與熔池的強(qiáng)耦合分析模型，分析兩種鎢極形態(tài)對(duì)電弧熱力行為及其熔池的影響機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)空心鎢極電弧及其同軸填絲焊接技術(shù)的調(diào)控具有重要意義.
1 試驗(yàn)方法
焊接用基體材料為碳鋼板，牌號(hào)為Q235，焊接前利用機(jī)械加工的方法清除氧化皮，并用酒精去除待焊區(qū)的油污，試驗(yàn)用保護(hù)氣體為工業(yè)用高純度氬氣.試驗(yàn)用空心鎢極的內(nèi)孔為通孔，采用機(jī)械加工的方法制備，外徑為?6 mm，內(nèi)孔直徑為?3 mm，所用實(shí)心鎢極的外徑為?3 mm.
焊接過程中采用高速攝像實(shí)時(shí)觀察電弧形態(tài)及液態(tài)熔池表面的形態(tài)，該高速攝像由英國IX 公司生產(chǎn)，型號(hào)為i-SPEED7，高速攝像拍攝幀數(shù)為2 000 幀/s，曝光時(shí)間為60 s，具體試驗(yàn)過程如圖1 所示.首先，采用試驗(yàn)方法對(duì)比分析空心鎢極與實(shí)心鎢極在相同焊接電流下的電弧形貌特征、電弧與熔池的相互作用過程，以及焊縫的成形特征；其次，利用COMSOL 數(shù)值模擬軟件，基于有限元理論分析方法，構(gòu)建理論模型對(duì)不同幾何特征鎢極形成電弧的熱/力行為進(jìn)行分析，著重從電弧壓力和溫度場分布兩個(gè)角度進(jìn)行對(duì)比分析.
圖1 試驗(yàn)過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of testing process
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 鎢極幾何特征對(duì)熔池行為的影響
鎢極作為電子的發(fā)射材料，其末端形狀對(duì)電弧形貌影響較大.相較于實(shí)心鎢極尖端的點(diǎn)發(fā)射特征，空心鎢極末端的電子發(fā)射區(qū)是一個(gè)具有一定特征尺寸的平面區(qū)，該特征必然使其從宏觀形貌上與實(shí)心鎢極電弧存在一定差異,同時(shí)電弧作為焊接過程中的熱源，其形貌特征在很大程度上也反映出了電弧內(nèi)部多物理場(溫度場、壓力場、電磁場等) 的分布特征，是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵要素.
電流為350 A 時(shí)，實(shí)心鎢極與空心鎢極對(duì)電弧形態(tài)及其熔池特征的影響效果如表1 所示，可以看出實(shí)心鎢極的電子均從鎢極尖端附近很小的區(qū)域發(fā)射，電弧呈現(xiàn)出典型的上小下大，中間按照熱力學(xué)規(guī)律連續(xù)分布的鐘罩形特性；而空心鎢極由于中間存在一個(gè)中空區(qū)域，電子在空心鎢極末端較大的環(huán)狀區(qū)域發(fā)射，陰極末端和陽極表面的電弧區(qū)域面積均明顯大于實(shí)心鎢極.
表1 電弧形貌及熔池特征Table 1 Arc morphology and molten pool characteristics
從熔池表面的形態(tài)可以看出，實(shí)心鎢極由于電弧發(fā)射區(qū)域小，能量集中，使得熔池表面形成較大凹坑；而空心鎢極電弧下的熔池表面較為平整，無明顯的下凹區(qū)域，這直接說明空心鎢極電弧和實(shí)心鎢極電弧的熱力特性存在較大差異.
圖2 為焊接電流350 A 時(shí)，空心鎢極和實(shí)心鎢極焊縫的實(shí)際成形特征，可以看出實(shí)心鎢極在大電流焊接時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)周期性褶皺，且在收尾位置由于高溫液態(tài)熔池下凹區(qū)域較大，電弧熄滅后液態(tài)金屬快速凝固，來不及回流填充在焊縫尾部形成了一個(gè)較深的下凹區(qū)；而空心鎢極焊接時(shí)，由于液態(tài)熔池?zé)o明顯下凹區(qū)存在，流動(dòng)過程較為平穩(wěn)，熔池凝固后的焊縫表面也較為平整，焊縫收尾位置無明顯下凹特征存在.
圖2 空心鎢極與實(shí)心鎢極焊縫成形對(duì)比Fig.2 Comparison of weld formation between hollow tungsten electrode and solid tungsten electrode.(a) weld morphology of hollow tungsten electrode;(b) weld morphology of solid tungsten electrode
2.2 電弧壓力場分布特征
基于有限元理論，利用COMSOL 軟件分別建立了空心鎢極、實(shí)心鎢極電弧與熔池強(qiáng)耦合分析模型，著重研究不同鎢極特征下的熔池流速、電弧壓力和電弧流速的差異，其分析結(jié)果如圖3 所示.從電弧與熔池的強(qiáng)耦合分析結(jié)果可以看出，相較于空心鎢極，在實(shí)心鎢極電弧作用下焊縫熔深明顯加大，液態(tài)熔池表面出現(xiàn)明顯的下凹特征，空心鎢極電弧液態(tài)熔池表面無明顯下凹特征，這與實(shí)際觀察結(jié)果一致.理論分析結(jié)果指出，空心鎢極全場域電弧的壓力最大為404 Pa，實(shí)心物理電弧壓力高達(dá)3 780 Pa，實(shí)心鎢極電弧最大壓力是空心鎢極電弧壓力的9.4 倍；空心鎢極全場域電弧流速最大為65.2 m/min，實(shí)心鎢極電弧流速最大可以達(dá)到585 m/min，實(shí)心鎢極約是空心鎢極的9 倍；空心鎢極熔池的流速最大為0.25 m/min，實(shí)心鎢極熔池最大流速為0.46 m/min，實(shí)心鎢極熔池的最大流速約是空心鎢極的1.8 倍；此外實(shí)心鎢極焊接熔深約是空心鎢極焊接熔深的2 倍.
圖3 空心鎢極與實(shí)心鎢極電弧及熔池特性對(duì)比Fig.3 Arc and molten pool characteristics comparison between hollow tungsten electrode and solid tungsten electrode.(a) hollow tungsten electrode;(b) solid tungsten electrode
從上述不同物理場最大值分析數(shù)據(jù)可以看出，空心鎢極電弧與實(shí)心鎢極電弧的熱力特性之間存在較大差異，而該差異的產(chǎn)生是整個(gè)電弧場域內(nèi)不同的物理場按照電磁理論和熱力學(xué)規(guī)律演化的結(jié)果.為對(duì)兩種鎢極幾何特征的空間電弧壓力和溫度場分布有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，如圖4 所示，主要選取電弧中軸線和距試板表面上方一定距離b位置，沿水平方向的電弧壓力和溫度場的分布特征進(jìn)行量化分析，由于液態(tài)熔池在電弧力的作用下升高，因此b值選取不能過小，該工藝參數(shù)下b值定為1 mm.
圖4 電弧不同分析區(qū)域示意圖Fig.4 Schematic diagram of different analysis areas of arc column
電弧中軸線上，自下而上距試板表面不同位置的溫度分布如圖5 所示，可以看出實(shí)心鎢極溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在距鎢極末端附近，距試板表面約2.2 mm，而空心鎢極電弧溫度最高點(diǎn)出現(xiàn)在電弧與試板表面的中間位置，距試板表面約1.6 mm，且空心鎢極電弧溫度最高點(diǎn)附近區(qū)域的溫度值相差不大.此外從圖5 可以看出，空心鎢極電弧中軸線溫度的最低點(diǎn)出現(xiàn)在試板表面，而實(shí)心鎢極最低點(diǎn)出現(xiàn)在鎢極末端，這是因?yàn)樵趯?shí)心鎢極電弧力的作用下，熔池表面下凹，距試板表面0 mm 的位置依然是電弧，而空心鎢極的電弧力較小，試板表面基本是熔池與電弧的固氣交界面.
圖5 中軸線電弧溫度場分布特征Fig.5 Distribution characteristics of arc temperature field along the central axis
距試板表面1 mm 位置，沿水平方向?qū)嵭逆u極與空心鎢極的電弧溫度分布如圖6 所示.可以看出距中軸線 ±2 mm 左右的范圍內(nèi)，實(shí)心鎢極電弧隨著取樣點(diǎn)遠(yuǎn)離電弧中軸線電弧溫度快速下降，當(dāng)取樣點(diǎn)在該范圍之外時(shí)，電弧溫度下降的趨勢逐漸放緩；而空心鎢極電弧隨著取樣點(diǎn)遠(yuǎn)離中軸線，電弧溫度整體呈下降趨勢，但下降區(qū)域明顯小于實(shí)心鎢極.
圖6 距試板表面1.0 mm 電弧溫度場分布特征Fig.6 Distribution characteristics of arc temperature field at 1.0 mm from the surface of molten pool
2.3 電弧不同區(qū)域壓力場分布特征
沿電弧中軸線方向，空心鎢極電弧與實(shí)心鎢極電弧距試板表面不同距離處的電弧壓力分布特征如圖7 所示.電弧中軸線上，實(shí)心鎢極電弧的壓力分布特征顯著區(qū)別于空心鎢極，自試板表面到鎢極末端空心鎢極電弧呈現(xiàn)先降低、再增加、后又下降的壓力分布特征，呈現(xiàn)出N 形分布規(guī)律，壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)在距鎢極末端0.8 mm 位置；實(shí)心鎢極的電弧壓力分布自下而上是先降低、再增加，呈現(xiàn)出規(guī)律的U 形分布特征，壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)在鎢極電子發(fā)射尖端，即鎢極末端.
圖7 中軸線電弧壓力場分布特征Fig.7 Distribution characteristics of arc pressure field along the central axis
無論實(shí)心鎢極還是空心鎢極，距試板表面1 mm位置水平方向的電弧壓力分布同溫度場分布均呈現(xiàn)出典型的高斯分布特征(圖8)，但分布特點(diǎn)上存在較大差異.實(shí)心鎢極的電弧壓力在中心點(diǎn)為1 620 Pa，而空心鎢極中心點(diǎn)的壓力只有381 Pa，實(shí)心鎢極約是空心鎢極的4.3 倍；而自中心點(diǎn)向外±2.5 mm 位置，實(shí)心鎢極和空心鎢極的電弧壓力較為接近，分別為181.8 和132.5 Pa，這說明相較于空心鎢極的電弧壓力分布特征，距試板表面1 mm位置，水平方向?qū)嵭逆u極電弧壓力場下降的速率明顯快于空心鎢極；而這種高梯度的電弧壓力分布特征也是實(shí)心鎢極電弧作用下，液態(tài)熔池表面出現(xiàn)明顯下凹的主要原因.
圖8 距試板表面1.0 mm 電弧壓力分布特征Fig.8 Characteristics of arc pressure distribution at 1.0 mm from the surface of molten pool
3 結(jié)論
(1) 實(shí)心鎢極與空心鎢極電弧熱力場分布特征的差異使空心鎢極熔池呈現(xiàn)淺而寬的焊縫成形特征，實(shí)心鎢極熔池呈現(xiàn)出深而窄的焊縫成形特征.
(2) 沿電弧中軸線方向，實(shí)心鎢極電弧壓力分布呈U 形特征，空心鎢極呈N 形特征，實(shí)心鎢極電弧最大壓力位于鎢極末端，而空心鎢極電弧最大壓力位于鎢極末端約0.8 mm 位置.
(3) 距試板表面1 mm 的水平方向，電弧溫度和壓力分布均呈典型高斯分布特征，相較于實(shí)心鎢極，空心鎢極電弧溫度和壓力自中心線向外下降趨勢較為平緩.
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