空心钨极TIG焊电弧特性数值模拟

建立了内径2 mm的空心钨极TIG焊电弧数值模型,用Fluent软件用户自定义函数(UDF)功能加载了氩气电导率、动量方程和能量方程的源项,计算了稳态下焊接电流为60 A时电弧的温度场、流场以及电弧压力,并与相同条件下实心钨极TIG焊电弧作了对比. 结果表明,空心钨极TIG焊电弧呈钟罩形,空心钨极圆环放电和钨极中心气流的冷却作用使得电弧温度分布云图顶部下凹;电弧等离子体在钨极下方运动速度较快,阳极表面电弧压力呈柱状分布,弧柱区空间压力分布比较均匀;与相同电流条件下TIG焊相比,空心钨极TIG焊电弧峰值温度降低17.3%,钨极下方2 mm位置处峰值温度降低27%,等离子体最大运动速度降低40%,电弧压力峰值降低57%,堆焊焊缝熔宽增加30%,熔深减小27.9%.     

空心钨极中心负压电弧的物理性能

建立了内径2 mm的空心钨极TIG焊电弧数值模型,用Fluent软件用户自定义函数(UDF)功能加载了氩气电导率、动量方程和能量方程的源项,计算了稳态下焊接电流为60 A时电弧的温度场、流场以及电弧压力,并与相同条件下实心钨极TIG焊电弧作了对比. 结果表明,空心钨极TIG焊电弧呈钟罩形,空心钨极圆环放电和钨极中心气流的冷却作用使得电弧温度分布云图顶部下凹;电弧等离子体在钨极下方运动速度较快,阳极表面电弧压力呈柱状分布,弧柱区空间压力分布比较均匀;与相同电流条件下TIG焊相比,空心钨极TIG焊电弧峰值温度降低17.3%,钨极下方2 mm位置处峰值温度降低27%,等离子体最大运动速度降低40%,电弧压力峰值降低57%,堆焊焊缝熔宽增加30%,熔深减小27.9%.     

工艺参数对耦合AA-TIG焊电弧阳极电流密度的影响

针对耦合电弧AA-TIG焊,采用基于不锈钢阳极的钨探针法研究了主要工艺参数对电弧阳极电流密度分布的影响规律.与常规TIG焊电弧相比,在相同条件下耦合AA-TIG焊电弧的阳极电流密度明显降低,并随着电弧电流和辅助电弧中氧气流量的减小以及钨极间距和弧长的增大而减小.当主钨极和辅助钨极的间距较小时,耦合AA-TIG焊电弧的阳极电流密度符合高斯分布;当钨极间距较大时,阳极电流密度向双峰分布过渡,电弧边缘部位符合二次高斯分布,而中心部位偏离二次高斯分布.     

不锈钢高频复合双钨极氩弧焊接工艺方法

针对双钨极TIG焊存在的电弧压力小、焊缝熔深浅等问题,提出了一种新型焊接工艺方法——高频复合双钨极TIG焊(high frequency hybrid twin-electrode TIG welding, HFHT-TIG焊),在双钨极氩弧焊的一个钨极上通以高频脉冲电流,达到提高电弧压力和挺度、搅拌熔池、细化晶粒、改善接头组织和力学性能的目的. 采用HFHT-TIG焊进行了6 mm厚奥氏体不锈钢焊接工艺试验,并与双钨极TIG焊接头进行对比. 结果表明,HFHT-TIG焊能够显著提高电弧挺度和电弧压力,焊缝表面成形更佳,横截面对称性更好,焊缝区的树枝晶组织更加细小,断口韧窝更加均匀和细密,接头的抗拉强度和断后伸长率分别提高了12.1%和30.2%.     

基于计算机仿真的双钨极间接气体保护焊接电弧参数分布

采用计算机仿真方法、针对间接电弧的参数分布特点对双钨极间接气体保护焊进行了数值模拟研究。该焊接方法节能、高效且焊接工件的变形小,但热输入却很低。为了分析其热输入较低的原因,首先利用有限元软件建立了间接电弧的有限元模型,并计算电弧的一系列特征参数,并与实测结果进行对比。结果表明:双钨极间接电弧具有面对称特征,且电弧偏向阳极方向,呈倒钟罩形态。阴极区电弧参数均小于阳极区。与等离子弧焊和钨极惰性气体保护焊(TIG)相比,在该焊接方法中被焊工件并不与电极相连,主要靠弧柱区端部加热,该区域较低的电弧压力、热流密度和等离子体流速使得工件的热输入低,且熔深浅。     

空心钨极TIG焊电弧特性数值模拟

基于磁流体动力学理论,建立钨极半径为0.8 mm,尖端锥角分别为15°,30°,45°和60°的微TIG点焊电弧数值模型;使用Fluent软件UDF功能加载保护气体物性参数、动量方程和能量方程源项,探究钨极尖端锥角对微TIG点焊电弧温度场、流场、压力场和电势场的影响规律。结果表明,微TIG电弧呈钟罩形状,随着锥角由60°减至30°,钨极导电截面半径减小,导致电流密度增加,电弧温度增高;随着锥角继续减小,电弧上爬现象严重,钨极导电面积增大,平均电流密度减小,电弧温度随之下降。钨极锥角变化显著影响等离子体流力和电磁收缩力对电弧等离子体动量作用,进而影响电弧等离子体运动速度和阳极表面压力分布。数值模拟结果与微TIG点焊试验结果吻合良好,模拟结果对调控钨极锥角,改善电弧形貌及焊接质量具有重要意义。

     

电弧电场强度对激光等离子体引燃TIG电弧性能的影响

以峰值时间为10 ms的CO2脉冲激光进行TIG电弧的引弧试验,并采用高速摄像观察了激光等离子体引燃TIG电弧过程中的等离子体形态.结果表明,成功引燃TIG电弧的必要条件之一是必须使激光等离子体在电场作用下向阴极（钨极）方向偏移,致使激光等离子体与阴极接触产生热电子发射和场致发射并形成自持放电.在此基础上,为了探索激光等离子体引燃TIG电弧过程中电弧电场强度的影响,通过改变TIG电弧钨极形状、高度、激光与钨极相对位置等物理试验的方法,进一步分析了不同电场强度对CO2激光等离子体引燃TIG电弧引弧特性的影响规律.     

耦合电弧钨极TIG焊电弧压力的测量与分析

开发了一种耦合电弧钨极,可显著降低电弧压力,消除咬边和驼峰焊道等缺陷,实现较高速度的TIG焊接.针对这种钨极进行了TIG电弧压力测量,研究了主要工艺参数对电弧压力分布的影响规律.结果表明,与传统TIG电弧相比,在相同参数下耦合电弧钨极TIG电弧压力峰值明显降低,并且随着弧长的增加、钨极伸出长度的增加、焊接电流的减小、电极槽宽的增大以及钨极直径的增大,耦合电弧钨极TIG焊的电弧压力峰值减小.对电弧压力的影响由大到小依次为焊接电流、钨极伸出长度、弧长和钨极直径、电极槽宽.     

耦合电弧AA-TIG焊电弧压力测量与分析

针对耦合电弧AA-TIG焊接法(arc assisted activating TIG welding),采用基于不锈钢作阳极的静态小孔法对其电弧压力进行了测量,研究了主要工艺参数对电弧压力分布的影响规律.与常规钨极氩弧焊相比,在相同条件下耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力峰值明显降低,并随着焊接电流的减小、钨极间距的增大、弧长的增大、辅助电弧中氧含量的减小而减小.在2mm钨极间距时,电弧压力服从高斯分布,随着钨极间距的增大电弧压力向双峰分布过渡.     

耦合电弧钨极GPCA-TIG焊工艺

将耦合电弧钨极和GPCA焊方法结合,形成了耦合电弧钨极GPCA-TIG焊方法,该方法可实现深熔深高速度焊接.对比分析了在较高焊接速度时常规TIG焊、耦合电弧钨极TIG焊和耦合电弧钨极GPCA-TIG焊的焊缝表面成形和截面形貌,发现耦合电弧钨极GPCA-TIG焊可避免咬边和驼峰焊道的产生,并且焊缝熔深有所增加.耦合电弧钨极GPCA-TIG焊工艺试验表明,焊缝熔深和熔宽随焊接速度的减小和外喷嘴位置的升高而增大,随着弧长和外层氧气流量的增加先增加后略有减小;随着焊接速度的减小,弧长和外层氧气流量的增大,焊缝咬边减轻,外喷嘴相对高度变化时焊缝均未出现咬边.     

气体流量和耦合度对GPCA-TIG焊电弧特性影响的数值模拟

根据磁流体动力学理论和组分守恒建立气体熔池耦合活性TIG焊电弧二维数学模型,采用简化阴极边界层模型将阴极与电弧耦合求解,计算得到了不同外层氧气流量与耦合度下电弧等离子的温度、氧气分布、阳极表面电流密度和热流密度等特征参数。结果表明,与TIG电弧相比,气体熔池耦合活性TIG电弧收缩,流速增大,阳极表面电弧压力升高;增大外层氧气流量或增大耦合度,电弧最高温度均上升,氧气向电弧区域扩散趋势更明显,电弧形貌略有收缩,阳极表面电流密度与热流峰值均略有增大。     

高频脉冲TIG焊电弧阳极行为的研究

本文首次测定了高频脉冲TIG焊电弧阳极的平均电流密度分布及其中心电流密度动态过程,研究其变化规律并建立了数学模型,从而探讨了高频脉冲TIG焊电弧的高频效应机理。实验研究表明高频脉冲TIG焊电弧阳极能量密度高于直流电弧,小电流时高频效应显著,适宜焊接精密超薄件,推荐脉冲频率为20kHz。     

超声复合焊接系统声场模拟及焊接电弧压力分析

提出了超声复合焊接空间中声场参数的分析方法,根据超声复合焊接特性构建了分析模型,利用COMSOL有限元分析软件模拟分析了声场参数随着发射端半径的变化情况,同时模拟分析了声场参数在不同电弧空间高度的变化规律.采用静态小孔法对不同焊接参数下稳定燃烧的直流U-TIG焊和普通TIG焊的电弧压力分布进行了测量.结果表明,U-TIG焊电弧压力峰值明显高于普通TIG焊,复合电弧能够提高焊接时熔池表面上方的电弧压力水平,但是随着电流增加,U-TIG焊和普通TIG焊电弧压力峰值的差值减小.分析认为大电流时,弧柱中心区域温度很高,电流密度很大,使TIG焊电弧压力峰值明显升高,而U-TIG焊电弧等离子流力受到气体流量的限制,电弧压力峰值增幅减小.     

An introduction to physical phenomena in arc welding processes

As is well known, arc discharges have been applied to various processes such as welding, cutting, spray coating, melting and refining. Unlike electrodeless discharge methods such as high frequency discharge of inductive coupling type (eg. RF discharge), arc discharge is a polarized discharge in which the arc is generated between the positive and negative electrodes.¹ Accordingly, when the arc discharge is applied to welding processes, the material becomes one of the electrodes. In TIG welding, the material, that is, the molten pool, generally acts as the anode to the tungsten cathode. As shown in Fig. 1, TIG welding processes are based on the close energy balance between the 'electrode-arc plasma-molten pool'. On the other hand, for the formation of the molten pool, energy transfer from the arc is also important, but energy transfer in the molten pool after that is extremely important, too. In TIG welding of steels, in which energy transfer by convection current becomes dominant rather than thermal conduction,² the penetration at the weld joint has hugely different geometries according to the difference in convective current phenomena at the molten pool. As a driving force of convective current in the molten pool in TIG welding, four forces have been considered,^2-6 as shown in Fig. 1. They are the drag force (friction force) caused by plasma jet (cathode jet) generated by the arc, the buoyancy force induced by the density difference inside the molten pool, the electromagnetic force induced by the current flow inside the molten pool and Marangoni Force induced by the surface tension gradient of the molten pool. These four forces can be said to be also based on the close force balance of the 'electrode-arc plasma-molten pool', as with the energy balance.     

等离子弧焊电弧的数值模拟

建立了等离子弧焊静止电弧的三维有限元数学模型,考虑等离子气、保护气的作用,利用ANSYS有限元分析软件对电弧的温度场、速度场、压力以及阳极工件表面的电流密度等进行了数值模拟,并与TIG焊进行了比较.结果表明,由于喷嘴的约束作用,等离子弧焊与TIG焊相比,电弧温度显著提高,焊接电流为150 A时电弧最高温度达到30 000 K.等离子弧焊的另一个显著特点是等离子体流速和电弧压力显著增大.通过计算马赫数、有效粘度和动力粘度之比,认为等离子体电弧处于层流不可压缩状态.     

High speed tandem TIG welding of ferritic stainless steel plate

Weld humping and undercut are the most common appearance defects in high speed welding. A high speed tandem TIG welding process was developed to suppress the formation of these appearance defects and to improve the productivity of TIG welding. In this paper, the mechanical properties and microstructure of joints obtained from tandem and single TIG welding were tested and compared. The results show that the sound weld appearance can be obtained by tandem TIG welding at the welding speed of 3 m/min for 1.5 mm thick 409L stainless steel plate. The mechanical properties of the tandem TIG welded joint are in the similar level with single TIG welded joint. The analysis of the tandem TIG welding process indicates that the assistant arc with a push angle can prevent the liquid metal flowing backward to the trailing region of weld pool and the premature solidification of thin liquid layer in the gouging region.