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。     

氮氩气体保护的TIG焊接电弧等离子体流场的数值分析

以直流TIG焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氮氩混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析,得到了ψ(N2)50% Ar混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征.分析表明,氮氩电弧的最高温度出现在近阳极区域,电流密度、等离子体速度和电弧压力的最大值均出现在近阴极区.同时分析了不同电流、弧长对阳极表面电流密度的分布的影响,随着电流的增大,阳极表面电流密度增大,而随着弧长的增大,电流密度减小.     

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.     

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.     

基于旋转电弧传感器的水下焊接高压电弧仿真计算

旋转电弧传感器是焊缝自动化跟踪常采用的一种传感器,将它用于水下焊接是一门新课题.文章对高压环境下,采用旋转电弧传感器焊接所产生的电弧模型进行了仿真计算.结果表明,随着气压由0.1MPa升高到1MPa,电弧温度也升高,焊丝附近温度梯度也增大,同时电弧温度场由钟罩形转变为纺锤形.通过对两个不同气压下焊件表面温度的测量说明高压下要熔化同样的焊件需要施加更高的电源功率.对两个不同气压下旋转中心轴线与焊丝所在轴线纵向温度的对比可以证明使用电弧传感器的电弧加热形成的熔池截面形状应该是碗状的,而非指状.通过对电弧电流密度场和电场的分析解释了电弧温度场为纺锤形的原因.     

SiO2活性剂对不锈钢钨极氩弧焊电弧现象的影响

通过研究SiO2活性剂TIG焊焊接不锈钢过程中电弧形态、电弧电压及焊缝几何形状的变化,分析了SiO2活性剂钨极氩弧焊电弧等离子体形态、电弧空间电场强度、电弧温度、电弧电流密度及电弧力的影响.结果表明,SiO2活性剂使TIG焊电弧等离子体收缩,加热区域及电弧力更加集中,同时电弧空间电场强度、电弧温度及电流密度显著提高,导致焊缝几何形状变化,但焊道熔宽未发生明显变化.     

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.     

氮氧元素联合过渡对气体熔池耦合活性TIG焊电弧的影响

针对外层引入氮氧混合气体的气体熔池耦合活性TIG焊电弧,采用Boltzmann作图法分析在不同耦合度下电弧等离子体的温度分布和电弧电压的变化规律,并与传统TIG焊及外层只引入氧气的气体熔池耦合活性TIG焊进行比较. 结果表明,氮氧联合过渡时气体熔池耦合活性TIG焊电弧的中心区域温度和电弧电压均高于传统TIG焊与外层只引入氧气时的气体熔池耦合活性TIG焊的数值;当耦合度由0变为+2时,电弧中心区域温度与电弧电压均略有升高.     

大电流钨极氩-氦混合气体电弧行为分析

采用水冷紫铜阳极和水冷TIG焊枪，在60—400A的直流电流范围内，对钨极氩—氦混合气体电弧的行为进行了测定和分析，主要测定和讨论了氩、氦及其不同配比的混合气体电弧的静特性、电弧形态、阴极热功率、阳极热功率等内容。结果表明，随着氦气体积流量分数的增大，特别是当其大于80％以上时，电弧电压明显增大，阳极热功率所占比例明显增大，而阴极热功率所占比例却明显减少。试验中使用TIG焊接方法，通过增大氦气体积流量分数和焊接电流，可完全实现常温下中、厚紫铜试件的熔化，获得足够的熔深和良好的熔深形状，进而可实现不预热焊接。     

不同参数钢和铝TIG焊电弧光谱辐射分析

通过调整焊接参数,对不同焊接参数下(弧长、电流、气流量),钢(直流正接)和铝(直流反接)TIG焊电弧的光谱分布信息进行了采集,研究不同焊接参数下焊接电弧光谱信息的变化规律.结果表明,钢TIG焊过程中,不同谱段辐射强度会随弧长增加而增加,但在弧长较长时与较短时变化规律不同;其中线谱较少区域与弧长变化之间的线性度最好;辐射随焊接电流的增加成正比增加;在气流量较大时,随气流量变化不明显,气流量较小时存在明显影响.铝在TIG焊中,随弧长变化,光谱辐射强度没有明显变化;辐射随焊接电流的增加成正比增加;在气流量较大时随气流量变化不明显,气流量较小时存在明显影响.     

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.     

TIG-MIG复合焊电弧特性机理分析

采用TIG-MIG复合焊电弧改善传统单一TIG及MIG焊的不足.基于PID闭环控制,实现恒流恒压外特性输出,从而实现TIG-MIG电弧复合.研究了复合电弧的电弧特性、熔滴过渡形式及不同极性接法对焊缝的影响.结果表明,TIG焊电弧对MIG焊电弧具有良好的维弧作用.TIG-MIG焊电弧复合熔滴过渡过程,TIG焊电弧稳定燃烧,为了保持最小的能量消耗而作用于熔滴上,对熔滴具有加热作用.直流反接具有良好的阴极雾化清理作用.TIG-MIG焊电弧复合能够有效降低焊接飞溅,促进焊缝铺展及成形,实现高效化、优质化的焊接.     

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%.     

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。     

单组分氟化物对钛合金氩弧焊电弧形态的影响

针对厚2.5mm的BT20钛合金平板,沿不同氟化物涂层进行TIG焊接工艺试验,对沿不同氟化物TIG焊接过程中的电弧形态以及焊后焊缝成形进行了研究,并与相同焊接工艺参数下的常规TIG焊进行了对比.试验结果表明,不同的单组分氟化物对焊接电弧形态的影响有较大区别,并由此总结出了电弧形态变化与焊缝熔深的关系.     

共熔池双TIG焊电弧稳定性研究

分析了共熔池双TIG焊的特点,通过试验.对由各种不同形态的电流组合构成的双弧系统的电弧稳定性进行了研究,探讨了共熔池双TIG焊过程的电弧系统稳定性控制方法.结果表明:通过控制焊接电流的形态及焊接电流值之间的绝对差值,采用双直流电弧、双脉冲电弧或直流与脉冲的混合电流形式都能得到稳定的双弧系统.但在采用较大的双脉冲电流的条件下,脉冲电流之间需存在交错延时,才能保证双弧的稳定性.     

双钨极TIG电弧压强分布及其与等离子体喷射的关系

建立一个三维的统一的双钨极TIG焊模型,利用磁流体动力学理论对双钨极、电弧、阳极三个区域进行统一求解,获到双钨极电弧的压强分布,探究等离子体喷射与对电弧压强的关系。研究发现,双钨极TIG在钨极下方、阳极上方以及两束等离子体流交汇处存在较大的电弧压强,这些高压区的形成与等离子体喷射存在因果关系。计算发现,双钨极TIG焊在阳极表面上的最大压强远小于单钨极TIG焊的,这为双钨极TIG焊的应用提供了一些理论基础。     

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.     

TIG电弧等离子体双温度数值模拟

基于连续性方程、动量守恒方程、电子能量守恒方程、重粒子能量守恒方程及麦克斯韦方程组,建立了TIG电弧等离子体二维轴对称双温度数学模型. 等离子体的热力学性质及输运系数均为电子温度(T_e)、重粒子温度(T_h)的函数,采用FLUENT软件进行求解得到了TIG电弧等离子体的电子温度场、重粒子温度场、压力场、流场和电势场等,重点比较了等离子体电子温度和重粒子温度的分布规律. 结果表明,TIG电弧的外形为典型的钟罩形,在电弧中心重粒子温度与电子温度几乎处处相等,而在电弧边缘及阳极表面两者差异较大,存在很明显的非平衡现象.     

镁合金富Ar混合气体TIG焊电弧行为及其对焊缝质量的影响

采用富Ar混合气体TIG焊焊接了镁合金板材,分析了Af、He、C02和N2不同配比混合气体的电弧特性及其对焊缝成形、熔深、显微硬度和抗拉强度的影响.结果表明:富Ar混合气体加入一定比例C02会造成镁元素蒸发,焊接过程中有飞溅现象,加入一定比例N2会在焊缝表面生成Mg3N2膜,影响焊缝质量.He-Ar混合气体随着氯气体积分数的增大,电弧稳定性增强,阴极热功率所占电弧总功率的比例减少.当He体积比等于50%时,电弧阴极区城明显收缩而阳极区域发散扩展,可获得外形美观、熔透率高、焊缝区组织均匀细小的镁合金焊接接头.焊缝的平均显微硬度为60HV,达到母材的82.6%,抗拉强度为186MPa,是母材的76%,断裂发生在热影响区,属于韧-脆混合断裂.