片状偏钨极氩弧载流区的静电探针分析

为保证窄间隙焊接钨极的载流能力,采用截面为矩形的片状偏钨极,并通过低扰动静电探针对片状偏钨极氩弧载流区形态及电流密度分布进行分析. 结果表明,偏钨极前端斜边倾角在3°~8°时,能够对电流产生有效的导向作用,并造成电流密度分布更加集中; 相同焊接工艺参数下与圆柱钨极氩弧相比,片状偏钨极氩弧具有更大的载流区截面积及更小的电流密度;随着焊接电流的增加,载流区将获得更大的电流密度,且在靠近电弧截面中心的区域内电弧能量更加集中.     

AZ61A镁合金GTAW焊电弧电场和磁场的数值模拟

为了分析钨极氩弧焊(GTAW)焊接电弧电场和磁场在三维电弧空间内的分布规律,以直流钨极氩弧焊电弧为研究对象,建立了包含电极、焊接电弧以及工件的三维瞬态联合数学模型,对AZ61A镁合金GTAW焊电弧等离子体的电场和磁场进行了数值分析,得到了电弧电势、电流密度、磁感应强度以及电磁力在三维空间的分布特征。研究结果表明,焊接电弧的电势、电流密度、电磁力的最大值均出现在电极的端部,磁感应线始终是环绕电极的一系列的闭合曲线,且其环绕方向与焊接电流的关系遵守右手螺旋定则。     

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.     

钨极几何特征对电弧与熔池热力行为的影响

电弧热力行为是影响液态金属流动,调控焊接质量的关键要素.利用高速摄像与数值模拟相结合的研究方法,系统分析了空心钨极与实心两种电极特征对电弧热力分布特征的影响.结果表明,焊接电流为350 A时,实心钨极焊缝呈现出深而窄的焊缝成形特征,空心钨极焊缝呈现出浅而宽的焊缝成形特征;距试板表面1 mm,实心钨极与空心钨极电弧沿水平方向的温度场和压力场均呈典型高斯分布特征,中心位置处空心钨极电弧的温度值和压力值分别为实心钨极的61.9%和23.5%;中轴线上实心钨极电弧压力分布呈U形特征,空心钨极电弧压力分布呈N形特征;构建的电弧与熔池强耦合分析模型与实际情况之间具有较好的一致性,可实现对电弧和熔池热力行为的分析与预测.     

双TIG焊接电弧数值分析

针对双TIG电弧建立了包括钨极的双TIG焊接电弧数学模型。通过数值求解,得到了不同电流分配条件下双TIG焊接电弧的温度场、流场和电磁场等重要结果,并对等离子流剪切力和电弧压力进行分析。研究表明,在总电流不变的情况下,当钨极分配电流相同时,电弧温度场、流场和电弧压力等呈对称分布;当钨极分配电流不同时,电弧高温区域更靠近大电流钨极,但电弧整体上向小电流钨极一侧偏移。电流分配相同时,母材表面的电弧压力和等离子流拉力与相同条件下的单TIG电弧相比均显著下降,而钨极分配电流不同时,电弧压力和等离子流拉力峰值偏向于小电流钨极一侧。模拟结果与已有的研究结果吻合良好。     

基于Fluent模拟TIG电弧燃烧

基于纳维-斯托克斯方程组、能量守恒方程、麦克斯韦方程组建立二维轴对称TIG焊电弧模型,借助Fluent软件模拟电弧燃烧的整个过程。通过UDF命令将氩气的物理特性随温度的变化、动量方程的源项、钨极边界的电流密度分布等动态地连接到计算模型中,并通过UDS命令添加电流连续性方程。模拟的结果显示,电弧温度场呈钟罩形,电弧压力在轴向上最大,氩气的物理特性随电弧温度场变化,轴向电流密度沿轴向不断减小,径向电流密度呈高斯分布。     

单电源交流双钨极氩弧焊接铝合金工艺机理分析

以6061铝合金为研究对象,进行单电源交流双钨极氩弧焊接工艺试验.采用金相显微镜、CCD摄像头、电流检测系统对焊接接头的组织、电弧形态以及电流变化过程进行观察与检测分析.结果表明,大电流下双钨极可获得均匀美观的铝合金焊缝成形,但钨极串行优于钨极并行.电弧电流检测显示焊接过程中流经两个TIG焊枪的电流大小呈现非均匀分配形式,单电源单钨极电流密度沿着焊接方向呈现单峰分布而双钨极非单峰分布.在电弧作用区域双钨极耦合电弧的电流密度值要小于单钨极.另外双钨极能扩展耦合电弧的弧根,增加熔池受热面积,在保证焊缝成形的同时提高焊接效率.     

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%.     

钨极氦弧焊接电弧的数值分析

以钨极氦弧焊接电弧为研究对象,根据磁流体动力学理论和局部热动态平衡假设,构建静止电弧的三维数学模型,通过求解质量、动量、能量、电场和磁场方程,得到了电弧形态的分布情况。所得计算结果与试验情况相当吻合,并与钨极氩弧焊接进行比较。同时,对等离子速度场以及电弧压力和电流密度进行了数值计算;文中进一步分析了不同电流和弧长对电弧温度、等离子速度和阳极电流密度的影响。结果表明,钨极氦弧焊对提高阳极的热输入有利,但钨极氦弧焊的电弧在轴向上的速度梯度大,压强梯度大,致使其电弧不稳定。     

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电弧载流区温度的低扰动静电探针差动分析

采用低扰动静电探针差动分析对TIG电弧载流区进行诊断,通过测定的饱和离子电流求解不同焊接电流和弧长下载流区温度分布.结果表明,低扰动静电探针差动分析测定的载流区温度变化特征与辐射光谱测量结果一致,但探针对电弧的冷却扰动导致差动分析测定的温度值低于光谱诊断的测量结果;电弧载流区温度分布宽度沿电弧轴线由阴极向阳极增加,载流区截面中心附近温度最高,并向电弧边缘减小,且阴极附近存在一个高温区;随着焊接电流的减少,温度分布宽度和载流区最高温度均减小,阴极附近高温区沿电弧轴向收缩;弧长增大会使载流区温度分布宽度增加,但最高温度基本不变.     

直流磁场作用下铜蒸气对电弧特性的影响

为研究直流纵向磁场作用下金属蒸气对熔化极气体保护焊(gas metal arc welding,GMAW)电弧特性的影响,将钨铜复合材料制成特殊钨极代替熔化极产生铜蒸气,利用高速摄像法、光谱测温法以及小孔探测法对其进行了测试研究.结果表明,铜蒸气进入电弧等离子体后,电弧出现分层,随铜蒸气含量的增加,弧芯外围区域半径随之增加,弧芯区的尺寸减小.当铜含量为0%时,外加直流磁场后,电弧在阴极区收缩阳极区扩张,其轴向最高温度明显上升;电弧压力峰值偏离轴线,在外加磁场强度为0.015 T时呈现双峰分布,电流密度与电弧压力分布趋势相似;随着铜蒸气的介入,弧芯区电弧表现为阴极区收缩,阳极区扩张,弧芯周围的铜蒸气则明显收缩,电弧轴向最高温度上升的幅度明显降低.随着铜含量的增加,电弧的导电面积增加,环向电磁力作用减弱,电弧中心压力下降幅度显著降低,阳极电流密度的分布趋势逐渐趋于扁平化.     

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.     

Optical investigation of the behavior of the electric arc and the metal transfer during vacuum remelting of a Ti alloy

High-speed camera imaging and optical emission spectroscopy have been used for investigating the structure of the electric arc and the transfer mechanisms of the liquid metal during vacuum arc remelting (VAR) of Ti alloys. The arc exhibited a similar operating regime to that described in the previous literature for the case of Inconel 718 and zirconium alloy electrodes. The arc behaved in a diffuse mode with many separate and rapidly moving cathode spots. Several parameters of the cathode spots, including their current, size and apparent velocity were evaluated. The application of an external axial magnetic field tended to encourage the cathode spots to locate themselves on the base of the electrode. A large density ratio of Ti⁺ ions and Ti atoms in the interelectrode plasma was evaluated, suggesting that the plasma was strongly ionized. The calculated excitation temperature of Ti⁺ ions (1–1.2 eV) was about 1.5–2 times greater than that obtained for Ti atoms. The transfer mechanisms of the drops of liquid metal might be classified into three main modes depending on the gap length: drop falling, drip short and drop erosion induced by the cathode spots. The importance of the influence of the arc on the metal transfer mechanisms was inversely related to the gap length.     

切割用等离子弧的数值分析

以转移型直流电弧等离子体切割炬为研究对象,根据局部热力学平衡假设和磁流体动力学理论构建了电弧数学模型,采用数值模拟方法分析了等离子体炬内等离子体的传热和流动特性,阴极形状、锥角、内缩量和喷嘴形状对切割气流的速度和等离子温度分布的影响.并对五种常用形状阴极和两种不同内缩量的割炬内等离子流体速度场和温度场进行了比较.从数值分析的角度验证了阴极斑点较小的阴极能产生较大的焰流速度和热量,以及内缩量的增加对电弧的压缩具有显著作用.     

外加高频纵向磁场作用下的TIG焊电弧数值模拟

基于局部热平衡状态假设,建立外加高频纵向磁场作用下的钨极惰性气体保护焊的电弧稳态三维数值模型.通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程的耦合求解,得到了电弧的温度场、流场和压力场等计算结果.结合法拉第电磁感应定律,考虑时变磁场的电磁感应效应,引入感应电场,解释了高频纵向磁场作用下的电弧收缩现象.结果表明,外加高频纵向磁场感应产生环向电场,形成环向电流,环向电流与外加纵向磁场作用产生径向洛伦兹力,导致电弧收缩.     

Research on generation of micro-plasma arc and its power intensity

In order to realize practical application of micro-plasma arc welding, the generation method of submillimetre-sized plasma arc was developed through controlling the DC electrical discharge in the range from glow to arc discharge with use of an experimental torch device and a newly designed high-voltage power source. The electrical discharge was established between the cathode of a tungsten electrode and the anode of stainless steel sheet through a plasma constriction nozzle made from heat-resistant material of boron nitride. It is shown that the micro-plasma arc with use of a submillimetre diameter nozzle is stabilized as the size of the plasma beam corresponds to the nozzle diameter and decrease in the nozzle diameter increases the power density of micro-plasma arc at the anode surface. A submillimetre-sized melt spot can be obtained with the current of 1 A and discharge time of 5 ms.