GPCA-TIG焊水冷焊枪设计及改进

为了充分发挥活性焊的优点,通过改变活性元素的引入方式,提出了一种新的活性焊接方法——气体熔池耦合活性TIG焊(Gas Pool Coupled Activating Welding,简称GPCA-TIG焊),该方法采用内外两个喷嘴将含有活性元素O的气体与惰性保护气体分开,达到增加焊缝熔深和减少钨极烧损的目的。针对GPCA-TIG焊接方法设计并研制了一把GPCA-TIG焊水冷焊枪,通过实际焊接效果发现,该焊枪能满足GPCA-TIG焊接方法所需要求,所得到的焊缝质量良好,进一步优化了焊枪装置,使得焊枪结构更紧凑,使用更加方便。     

铝合金气体输送活性钨极氩弧焊方法

针对铝合金,提出了一种气体输送活性钨极氩弧焊,即GTFA-TIG焊(gas transfer flux activating TIG welding).该方法改变了活性元素的引入方式,通过自动送粉装置将活性剂输送到保护气体中,由保护气体将其引入电弧—熔池系统进行施焊,使得电弧收缩,熔池金属流态改变,熔深增加,同时省却了涂覆活性剂工序,实现了焊接过程自动化.进行了普通交流TIG焊和8种单组元活性剂的GTFA-TIG表面熔焊,分析了不同活性剂对焊缝成形、拉伸性能以及缺陷的影响.结果表明,大多数卤化物和氧化物活性剂都能使熔深增加到传统TIG焊的2.5~3倍以上,单质碲增加熔深效果较差.采用V2O5的焊缝抗拉强度接近母材金属,而采用MnCl2和AlF3的焊缝有一定程度降低.焊缝X射线探伤结果表明,采用V2O5,MnCl2和AlF3的焊缝评片结果均为Ⅰ级,而采用碲的焊缝为Ⅲ级.     

N和O元素引入对GPCA-TIG焊焊缝冲击韧性的影响

通过外层气体引入O和N元素,气体熔池耦合活性TIG焊(gas?pool?coupled?activating?TIG?welding)可以实现深熔深、高质量和连续焊接.?为了研究清楚O和N元素引入对焊缝冲击韧性的影响规律和机理,针对SUS304不锈钢分别测试了外层气体为O2,N2和O2?+?N2时的焊缝低温冲击韧性,并...     

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.     

数值模拟在活性焊接技术研究中的应用现状及展望

高效率生产是焊接工作者持续追求的目标之一，而实现深熔深焊接是重要途径之一，尤其是能获得优异焊接质量但熔深较浅的TIG焊。活性焊接方法起源于AF-TIG焊（Activating Flux TIG welding），通过在普通TIG焊接前在待焊母材表面涂敷活性剂材料，可使得熔深显著增加，达到TIG焊熔深的2倍及以上。为了推动活性焊接方法的应用与发展，通过介绍活性焊熔深增加的两种机理，数值模拟在熔池流动、应力应变、活性剂过渡方面的应用，深入理解活性元素对熔深增加和焊缝性能的影响。并认为活性剂增加熔深机理有待厘清，加强研究活性元素在低温凝固阶段中的冶金行为及其对熔池金属相变过程和焊缝性能的影响规律，将会促进活性元素引入精细控制技术和新型活性焊接方法的开发。     

铝合金气体输送活性钨极氩弧焊方法

针对铝合金,提出了一种气体输送活性钨极氩弧焊,即GTFA-TIG焊(gas transfer flux activating TIG welding).该方法改变了活性元素的引入方式,通过自动送粉装置将活性剂输送到保护气体中,由保护气体将其引入电弧-熔池系统进行施焊,使得电弧收缩,熔池金属流态改变,熔深增加,同时省却了涂覆活性剂工序,实现了焊接过程自动化.进行了普通交流TIG焊和8种单组元活性剂的GTFA-TIG表面熔焊,分析了不同活性剂对焊缝成形、拉伸性能以及缺陷的影响.结果表明,大多数卤化物和氧化物活性剂都能使熔深增加到传统TIG焊的2.5~3倍以上,单质碲增加熔深效果较差.采用V₂O₅的焊缝抗拉强度接近母材金属,而采用MnCl₂和AlF₃的焊缝有一定程度降低.焊缝X射线探伤结果表明,采用V₂O₅,MnCl₂和AlF₃的焊缝评片结果均为Ⅰ级,而采用碲的焊缝为Ⅲ级.     

不锈钢电弧辅助活性TIG焊

针对不锈钢,提出了一种新型活性YIG焊方法--电弧辅助活性TIG焊,即AA-TIG焊(arc assisted activating TIG welding).该焊接方法通过在正常TIG焊前以活性混合气体作为保护气体,采用小电流钨极电弧预熔待焊焊道表面,可使熔深显著增加,焊接效率大大提高,而且具有可全自动化焊接和工艺可重复性好等优点.分别采用O2+Ar,CO2+Ar,空气作为小电流钨极电弧的保护气体进行了单弧AA-TIG焊.与传统TIG焊比较,发现O2+Ar,CO2+Ar和空气都可显著增加熔深,减小熔宽,焊缝表面成形良好.采用CO2+Ar作为活性混合保护气体进行双弧AA-TIG焊,焊缝成形良好,熔深显著增加.熔深随着焊枪间距减小而增大.     

工艺参数对GPCA-TIG焊缝成形的影响

以SUS304不锈钢为母材,利用自行设计制造的GPCA-TIG专用焊枪,研究了焊接工艺参数对奥氏体不锈钢GPCA-TIG焊缝成形的影响,对于优化GPCA-TIG焊接工艺具有一定的指导意义。结果表明,O元素能增加焊缝熔深,而N元素则不能,但N元素却能促进O元素的吸收;焊接电流和焊接速度决定了焊接线能量的大小,影响O元素对熔池Marangoni对流方式的改变;弧长的变化会影响焊接热源总体的热输入和熔池的温度分布。     

A-TIG焊接熔深增加机理

活性化氩弧焊(A-TIG)焊接方法与传统TIG焊相比,具有明显的熔深增加作用.模拟了Nimonic 263 A-TIG焊接流场温度场,并对试验与模拟焊缝形状进行了对比.结果表明,同一焊接电流下,与TIG焊缝相比,A-TIG焊缝的熔深较深而熔宽较小.随着焊接电流的增加或者焊接速度的降低,A-TIG焊缝熔深呈线性增加,且比TIG焊的熔深增加效果明显.通过分析流体流动方式,进一步推测了A-TIG熔深增加机理:熔池内液体流动方式是熔深增加的主要原因,熔池中心处液体的流速明显高于熔池边缘,中心由外向内的环流为熔池内液体流动的主导方向.这个方向的环流将高温液体带到熔池底部,使熔池底部的熔化速度较熔池边缘有了明显的增加,且随着焊接电流的增加,熔深增加效果也不断提高.     

铸造镁合金ZM5的A-TIG多层补焊工艺与性能研究

采用了活性钨极氩弧焊(A-TIG)对铸造镁合金ZM5的中厚板进行多层补焊。研究了多层补焊时TIG,A-TIG焊接方法对铸件焊缝熔深和性能的影响规律。研究表明,采用TIG焊与A-TIG焊对不同坡口深度多层补焊,在相同的焊接参数条件下,A-TIG补焊深度明显高于TIG焊,且焊缝中无焊接裂纹缺陷;当补焊相同的熔深时,TIG焊焊接电流远大于A-TIG焊的,同时出现热影响区(HAZ)组织恶化、焊接裂纹缺陷、合金元素烧损。分析表明,A-TIG补焊工艺性能优于TIG补焊工艺性能,主要是由于活性剂与电弧、熔池的相互作用所致。     

氮氧联合过渡对GPCA-TIG焊焊缝的影响

针对外层引入氮氧混合气体的气体熔池耦合活性TIG焊,通过改变焊枪内外喷嘴的相对位置,分别研究了外层气体与熔池表面的耦合程度不同时焊缝成形、焊缝中氮氧含量及焊缝组织性能的变化规律.结果表明,氮氧联合过渡时气体熔池耦合活性TIG焊焊缝窄而深;低温冲击韧性高于母材及传统TIG焊的7.5%以上,而抗拉强度和屈服强度均略低于母材;焊缝组织晶粒细小,奥氏体上沿晶界分布着少量铁素体.气体熔池耦合活性TIG焊焊缝中的氮氧含量可以通过调节焊枪内外喷嘴的相对位置进行微量控制.     

不锈钢/碳钢TIG焊熔池表面流动行为

为研究异种钢在钨极惰性气体保护焊过程中的熔池表面流动行为,以粒子示踪法为基础,通过激光熔池表面反射的方法,对304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢焊接过程中熔池表面液态金属的流动行为进行了研究,分析了熔池表面示踪粒子的运动趋势,并以此为依据计算了熔池表面液态金属的流动速度.结果表明,在不锈钢/碳钢的TIG焊过程中,熔池表面的液态金属存在从不锈钢侧流向碳钢侧的流动行为.其中,示踪粒子在304不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为25.3 mm/s,在316L不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为21.6 mm/s.     

The element transfer behavior of gas pool coupled activating TIG welding

This paper deals with a novel dual shield TIG welding method named gas pool coupled activating TIG( GPCA-TIG)welding. The welding method divides the shielding gas into two layers. Inert gas such as Ar is adopted as the inner layer gas to protect the tungsten electrode and the molten pool metal. Pure O_2,N_2 or mixture of them are used as the outer layer gas to increase the weld penetration and improve the low temperature toughness of weld metal. Through analyzing the interaction between outer gas and arc and the distributions and existing forms of oxygen and nitrogen elements,the transfer behaviors of nitrogen and oxygen from arc to pool were investigated. The results show that,the interaction between the outer gas and arc plasma makes the arc slightly constrict. The incoming oxygen enriches on the molten pool surface and exists in the form of iron oxide,chromium oxide,manganese oxide and silicon oxygen compounds. The incoming nitrogen evenly distributes in the molten pool and exists in the form of nitrogen atom.     

外层氧气引入对GPCA-TIG焊焊缝性能的影响

针对SUS304不锈钢,采用传统TIG焊和GPCA-TIG焊进行工件表面熔焊,对外层气体引入氧气的GPCA-TIG焊和传统TIG焊焊缝的氧含量、显微组织、拉伸性能和低温冲击韧性进行了测定. 结果表明,GPCA-TIG焊焊缝组织主要为奥氏体和铁素体,铁素体形态以骨架状和板条状为主. 外层引入氧气时,焊缝中的氧含量增加,耦合度为+2时焊缝中的氧含量高于耦合度为0时的,焊缝的抗拉强度均略低于母材的. 耦合度为0的GPCA-TIG焊焊缝冲击性能与传统TIG焊的相同,耦合度为+2的焊缝低温冲击韧性有所降低,达到传统TIG焊的85%.     

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%.     

基于边缘导向算子模板匹配的熔池轮廓提取方法

轮廓提取作为熔池的基本视觉形态特征,在焊接质量在线监测中起着重要作用. 文中建立了非熔化极惰性气体保护电弧焊(tungsten Inert gas welding, TIG)焊接工艺环境下的熔池视觉传感系统,采集了高质量的熔池图像. 针对TIG焊不锈钢熔池图像中弱边缘检测的难点提出了一种基于边缘导向算子模板匹配的熔池轮廓提取算法(operator template matching based on edge direction guidance, OTM-EDG),算法中首先基于非线性灰度变换方法增强弱边缘. 之后利用4个方向的Sobel算子与熔池图像进行卷积操作来判断后端弱边缘的方向并计算梯度图. 最后对梯度图进行边缘连接操作以及基于数学形态学的边缘平滑操作,得到需要提取的熔池轮廓. 结果表明,文中算法能够提取到封闭完整且定位准确的TIG焊不锈钢熔池轮廓. 在实际焊接环境中具有较高的鲁棒性,有效解决了熔池区域弱边缘难以准确检测的问题.     

铝合金TIG焊接熔池状态多传感器数据协同感知算法

针对铝合金钨极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert gas arc welding,TIG焊)过程中,焊接工艺参数的实时状态与焊缝熔池三维尺寸间的非线性对应关系,研究建立一种基于信息物理融合的多传感器TIG焊过程熔池状态协同感知计算方法. 首先,构建由红外温度传感器、电弧形态传感器、电弧能量传感器和焊接位置传感器组成的TIG焊过程熔池状态信息物理融合系统架构. 其次,考虑焊接过程中焊枪电弧的运动特性和测量噪声影响,设计基于温度、位置、能量传感器信息交互的熔池长宽深三维参数状态感知策略,并基于多传感器数据的异步和异构特性,提出了基于无迹卡尔曼滤波的焊接过程中熔池状态的多传感器数据协同感知算法. 针对7075超硬铝合金TIG焊过程进行熔池参数在线测量与辨识试验,结果表明,所提算法能够根据TIG焊过程多传感器数据实时计算熔池参数结果,焊缝宽度和焊缝高度计算结果误差基本上控制在10%以内,该算法响应时间基本控制在0.3 s内,能够较为准确地评估焊接过程中熔池的实时状态.     

TIG电弧活性化焊接现象和机理研究(3)--活性化TIG焊接中的熔池表面张力测定

利用熔池振荡及熔池谐振信号的检测,以熔池自身固有振荡频率与熔池尺寸的内在关系测定熔池金属表面张力,研究了薄板ＳＵＳ３０４不锈钢ＴＩＧ焊不同熔池尺寸的表面张力变化以及活性剂对熔池表面张力的影响。实验研究方法为焊接熔池表面张力测定中的最初应用。