工艺参数对空心阴极真空电弧电子温度影响

为了研究空心阴极真空电弧等离子体特性,通过光谱仪获得了空心阴极真空电弧的发射光谱分布,同时利用相对强度法计算了电子激发温度.结果表明,空心阴极真空电弧等离子体主要由氩离子、氩原子构成;随着放电气压的降低和焊接电流的增加,空心阴极真空电弧的离子浓度逐渐增加;在一定气体流量下,空心阴极真空电弧的电子激发温度随着焊接电流的增加而升高;在低气体流量、大焊接电流时,电子激发温度较高;随着放电气压的升高,空心阴极真空电弧的电子激发温度逐渐降低.当焊接电流较大和气体流量较低时,空心阴极真空电弧的轴线附近的氩离子谱线强度较高,并且其径向分布梯度较大.     

焊接电弧近零时的物理过程研究现状与进展

焊接电弧的电流或能量近零主要包括直流稳态近零和交流动态过零两种情况.列举了国外在该领域的多项研究成果,分析了焊接电孤近零时的工作特点.重点介绍了国内在该领域的近期研究进展,印基于ICCD光谱动态观测技术和时控一统计法,对交流动态电弧近零状态及过零过程中的物理过程进行了定量观测和研究,能够获得该状态下电孤电子数密度、氩原子激发温度动态变化的认识.     

大气下热喷涂等离子体电子密度的光谱诊断

利用直流电弧放电装置产生了大气压下热喷涂等离子体,采用原子发射光谱法测量热喷涂等离子体射流中的辐射强度.通过Stark展宽法,使用ArΙ谱线在430 nm处的Δλ_1/2(谱线的半宽高)对大气压力下热喷涂等离子体射流中电子密度进行计算,研究了不同氩气流量及不同输入功率对等离子体电子密度的影响;同时使用Saha方程计算氩等离子体的电离程度,研究气体流量和电流与氩等离子体电离程度的关系.结果表明,电子密度和电离程度随着等离子体喷枪输入功率的增加而增加,而随着气体流量增加时,电子密度略有增加而电离程度会减少.     

激光辅助引燃TIG电弧机理分析

采用1 000 W半导体激光器实现了激光辅助引燃TIG电弧,并运用发射光谱分析方法观测了电弧引燃过程中不同时刻的光谱信息,同时运用Stark展宽法得到了电子密度在各瞬态的特征值,为研究激光辅助引弧的物理过程提供了科学的依据.结果表明,在电弧引燃过程中,不同元素贡献电子的程度明显不同,在起弧初期,是由金属元素发生电离贡献电子,随着时间的递增,气体成分贡献电子能力逐渐增强,并由于电极间电场的存在,高温气体很快形成了串级电离而使电弧建立.     

氩氮混合等离子焊接电弧的数值分析

以直流正极性氩氮混合工作气体等离子焊接电弧为研究对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用有限元分析软件ANSYS建立了三维稳态下轴对称的、氩氮混合工作气体的1/2等离子焊接电弧的数学模型,得到了焊接电弧的温度场、电场、电磁场、速度场的形态分布特征.分析了氩氮混合工作气体等离子弧的特性,并与纯氩气时的等离子弧的温度场及阳极热流密度分布进行了对比.结果表明,采用混合离子气时,等离子电弧的弧心最高温度相对于纯氩气时有所提高,另外弧柱区的高温区向阳极偏移,阳极的热流密度相对增加.     

交流TIG电弧的过零过程及其状态特征

TIG电弧是焊接生产中的一种重要热源,交流TIG电弧在铝合金的焊接制造中的应用亦已相当广泛.但以往由于观测方法的限制,而缺乏对该类电弧物理特征的了解.基于新型的光谱诊断系统,并采用时控一统计平均的观测方法,对方波交流和正弦交流等两种常见的TIG电弧在近零和过零时的电子数密度的动态变化过程进行了测量,分析了交流电弧过零时段的一般规律和各自特点,从而有助于对交流TIG电弧过程认识的深入以及对其控制水平的提高.     

低功率激光诱导/增强电弧等离子体的行为与机制研究

激光与电弧复合焊接工艺研究日趋完善,而关于激光与电弧相互作用行为和物理机制的研究则明显滞后,限制了激光-电弧复合焊接自动控制系统及焊接装备的开发。文中采用光谱分析和带通滤波电弧图像采集相结合的方法,研究了AZ31镁合金复合焊接过程中低功率激光(500 W)的加入对电弧等离子体形状、粒子组成的影响规律。基于电弧导电通道的角度讨论了激光对电弧放电行为的影响机制。研究发现,与单独电弧焊相比,激光的加入使电弧等离子体的高温区发生明显聚集,电弧导电通道变窄;电弧等离子体区氩元素谱线的强度显著降低,而镁元素谱线的强度显著升高,表明电弧的放电形式由惰性气体电离放电为主转换为以金属粒子电离放电为主;复合焊接电弧谱线强度的变化以及电弧高温区域收缩为实现激光一电弧复合焊接过程质量控制系统的开发提供可靠途径。     

焊接设备第三部分等离子焊接设备

1等离子弧焊接特点 等离子焊接(PA)是在TIG焊基础上发展起来的焊接技术.它利用等离子弧作为热源,气体由电弧加热产生电离,在高速通过水冷喷嘴时受到压缩,增大能量密度和离解度,形成等离子弧.其稳定性、发热量和温度高于一般电弧,具有较大熔透力和焊接速度.形成等离子弧的气体和周围的保护气体一般为氢气.根据各种工件的材料性质,也可使用氦或氩氦、氩氢等混合气体.等离子焊接的适用面广,从低合金钢到高合金钢,从黑色金属到有色金属,特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接,如钛合金的导弹壳体,飞机上的一些薄壁容器等.图67展示了等离子电弧和钨极氩弧焊电弧的不同.     

焊接电弧发射光谱的动态诊断方法及其应用

建立了新型的电弧光谱动态诊断系统,提出了基于时控一统计平均方案的动态诊断方法,实现了对电弧光谱连续的动态诊断.结果表明,应用这一新型诊断系统,可以观测交流电弧特征谱线半高宽变化量和中心波长位移量两个重要特征量的动态变化规律,进而可认识交流电弧电子数密度和氩原子激发温度的动态变化,这对于研究电弧(特别是交流电弧)热力学状态的时间特征具有重要的意义;另外,这一诊断方法拓展了以往电弧发射光谱诊断方法的应用范围,在焊接电弧物理研究中将有着良好的应用前景.     

电弧气氛对CO2激光与TIG电弧相互作用的影响

采用激光功率计、光束光斑质量诊断仪及高速摄像仪,对比研究了氩和氦气氛下CO2激光与直流TIG电弧垂直相互作用时的光束特性和电弧特性.结果表明,氩气氛时,激光功率显著衰减,光束散焦,功率密度分布严重劣化;与此同时,电弧电压降低,体积膨胀,甚至产生激光支持的燃烧波;而氦气氛时,激光电弧相互作用时光束特性及电弧特性变化很小.不同气氛时激光电弧相互作用的差异源于气体的电离能不同,电弧等离子体的电子数密度存在很大差异:氦弧的电子数密度较氩弧低一个数量级,因而氦弧对CO2激光的逆韧致吸收系数比氩弧低两个数量级.同时,氦弧的折射率与大气相比较差异很小,因而对激光束的折射效应弱.     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

保护气流量和弧长变化对电弧温度场与流场的影响

在建立了二维稳态自由燃烧的钨极氩弧焊电弧的轴对称模型的前提下,对不同弧长的电弧和改变保护气流量的电弧模型的温度场和流场进行计算比较.弧长增大,电弧的温度值、电弧电压和电弧轴向速度增加,弧长在8～10mm时轴向速度趋于稳定,气流质量得到了改善.适中的弧长可使阳极试板表面的热输入最大.保护气对电弧有压缩作用,使电弧温度升高.加大流量后对流散热的作用更明显,电极侧面的顺时针漩涡流被抵消和压缩,轴向速度的极大值区向着电极的方向运动,流线也变得相对整齐,但减缓了电弧在熔池表面的流速.     

双脉冲电弧增材制造数值模拟与晶粒细化机理

电弧增材制造具有成本低和效率高等优点,然而其晶粒细化的研究鲜有报道. 使用自行研制的熔化极气体保护焊电源实施了双脉冲电弧增材制造试验,通过数值模拟预测了晶粒细化现象,试验结果验证了双脉冲电弧的晶粒细化作用. 结果表明,由于熔池的膨胀,熔池尾部出现了重熔化现象. 在与单脉冲电弧热输入相同时,重熔化现象导致双脉冲电弧能够产生更高的冷却速度,并且细化晶粒. 因此,可以通过改变脉冲参数而不是传统地改变热输入来细化晶粒.     

Arc force and shapes with high-frequency pulsed-arc welding

Arc plasma is the source of heat and force for molten pool with dynamics fluid and convections. The arc force is studied with shape surveillance and force measurement during pulsed welding process. The results indicated that the average force increased by 42–57%. And the pressures were 322?Pa (conventional welding), 409 Pa and 517?Pa (pulsed welding). Imaging process is carried out for energy distribution analysis. The core region ratio increased up to 51%, compared with 43.7% by conventional welding. The arc pressure derivation was produced and the error was discussed. The increased arc force happens with arc constriction during pulsed welding. It is supposed to create surface depression of molten pool, enhance the fluidity and improve the heat convections.     

钛合金带热沉钨极氩弧焊中热沉作用

采用数值模拟和实验相结合的方法研究了钛合金TC4薄板常规及带热沉的钨极氩弧焊焊接过程中温度及应力应变的分布,考察了热沉对温度场和应力应变场的影响规律,探讨了使用该技术实现应力和变形控制的机理.结果表明:带热沉的钨极氩弧焊焊接过程中,紧随热源之后热沉急冷作用使得试件形成马鞍形温度场,而热沉作用部位温度最低.热沉作用部位的急冷收缩对周围金属产生拉伸作用,使得焊缝及近缝区金属升温过程中产生的压缩塑性应变减小,冷却过程中产生的拉伸塑性应变增大,接头中不协调应变减小,残余应力降低.实验测量与有限元模拟结果吻合良好,证实了采用热沉控制应力与变形的有效性和有限元模型的正确性.     

焊剂带约束超窄间隙焊接母材熔化及熔池形成

为认识超窄间隙焊接母材熔化特性及熔池形成机制,在放置焊剂带的I形坡口中进行熔化极电弧焊接试验,采用一种快速中断电弧的方法,保留焊接过程中焊剂带、坡口底部和侧壁的熔化形态.结果表明,电弧区焊剂带热收缩效应和固壁约束作用能有效约束坡口中电弧作用范围.当选择合适的侧壁根部焊剂带裸露高度时,电弧加热区域控制在坡口底部和侧壁根部,熔滴过渡的冲击作用及电弧力集中在熔池前端,使熔融金属产生有利于排出熔池中气体和熔渣的流动,形成无缺陷焊缝.当侧壁根部焊剂带裸露高度大于一定值时,电弧所受约束减小,加热区域扩展到较大范围的坡口侧壁上,熔滴过渡分散在坡口底部和侧壁,熔融金属难以形成贯穿熔池的流动,焊缝存在较多孔洞.     

铜/钢TIG堆焊氦-氩混合比对泛铁的影响

研究了不同氦-氩混合比在铜,钢TIG堆焊过程中对泛铁量及泛铁形态的影响。通过调解氦-氩混合比来获取相应的电弧形态及电弧压力,得到了不同氦-氩混合比与泛铁量及泛铁形态之间的关系。结果表明,在适当的焊接工艺参数下,随着氦气比例的增加,热输入增大,而电弧压力先减小后增大。不同的氦-氩混合比对应不同的泛铁形态。通过调节氦-氩混合比来实现对电弧的热输入、电弧压力及电弧形态的控制,从而严格控制泛铁量及泛铁形态。     

超声等离子焊接在液压支架修复工艺中的应用

为提升液压支架修复的可靠性和经济性,对超声等离子焊接的应用效果进行了数值模拟和试验研究。根据所设计超声等离子弧焊系统的焊枪结构与焊接工艺参数建立了超声场有限元模型,基于COMSOL求解等离子气体的速度场、电弧密度场和声压场。对修复后的液压支架试样进行了显微硬度、残余应力及冲击韧性等力学性能测试。结果表明,超声波可在同等条件下将电弧压力提升20%以上,并在4 mm电弧直径内显著增强电流密度,有效减小热影响区范围和残余应力;等离子气体流速与电弧密度在靠近支架焊缝区域以近似相反的变化趋势分布,二阶特征频率振源能够在电极附近产生驻波;修复后支架的平均硬度和室温冲击吸收能量相比母材分别提升了44.6%和45.8%。创新点：(1)根据所设计超声等离子弧焊系统的结构特点建立与之匹配的超声场有限元模型,基于COMSOL求解模型内等离子气体的速度场、电弧密度场和声压场。(2)为验证超声波对综合力学性能的改善效果,对修复后的试样进行力学性能测试与对比分析,包括显微硬度、残余应力和冲击韧性等。     

Arc behaviour and weld formation in gas focusing plasma arc welding

ABSTRACT

Improving penetrability is a key issue in plasma arc welding (PAW). Increasing plasma energy is one way to improve arc penetrability. Gas focusing plasma arc welding (GF-PAW) platform is self-designed and developed. Role and action mechanism of focusing gas is initially studied. Focusing gas makes no obvious effects on arc pressure distribution and value. Focusing gas changes arc temperature distribution outer orifice, while focusing gas does not affect arc temperature distribution inner orifice. Focusing gas can constrict arc and arc energy increases 210?W with an increase in arc voltage of 1.4?V. GF-PAW can fully penetrate the whole work-piece while PAW can only partially penetrate the work-piece under welding current 150?A. GF-PAW can improve penetrability, and may increase welding speed, and has a potential application in manufacturing.