窄间隙气体保护三丝间接电弧焊缝成形特征

首次提出了窄间隙气体保护三丝间接电弧焊新方法,并阐述了其原理,研究与分析了参数对焊缝成形的影响. 针对焊缝表面成形凸起的成形缺陷,提出了在三丝间接电弧后,放置钨极电弧的方法. 结果表明,窄间隙三丝间接电弧实现了良好的侧壁熔合,并且随着焊接电流增大、焊接速度降低、母材对接间隙减小,侧壁熔深增加. 在没有后置钨极电弧的情况下,焊缝表面成形呈凸起状,后置钨极之后表面成形改善为凹状. 在窄间隙焊接中,凹状的焊缝成形有利于下一道焊接时,焊根部母材熔合和焊道层间熔合.     

窄间隙TIG焊电弧特性调控技术及进展

结合窄间隙TIG焊接的电弧特性及应用背景,综述了近年来窄间隙TIG焊接电弧特性调控技术的发展现状。针对窄间隙TIG焊接过程中因坡口较窄引起电弧电流分布不均匀,导致侧壁底角熔合不良的问题,介绍了目前窄间隙TIG焊电弧调控的几类方法,均能有效控制电弧形态,增加底角电弧电流密度,使侧壁底角处熔合良好。     

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.     

片状偏钨极电弧特性的数值模拟

基于流体力学和麦克斯韦方程组,建立片状偏钨极电弧三维数学模型,计算得到电弧温度场、流场、电场及电流密度分布.结果表明,片状偏钨极厚度方向电弧温度场、流场、电场及电流密度呈对称分布;相同焊接工艺参数下,片状偏钨极电弧最高温度、最大流速及电流密度小于圆柱钨极电弧;电流密度受片状偏钨极前端斜边引导作用和电弧惯性后拖效应的共同影响,其分布范围沿钨极宽度方向扩展,且电弧等温线在该方向上扩张;片状偏钨极前端斜边倾角的改变,会引起电流密度在钨极前端局部集中,并导致阴极下方高温区和阴极射流沿斜边偏移.     

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。     

面向9%Ni钢大型储罐的旋转电弧窄间隙立焊装备

提出一种面向9%钢大型LNG储罐的旋转电弧窄间隙立焊装备,旨在解决LNG储罐立缝位置的焊接难题。采用窄间隙TIG旋转电弧焊接新工艺,将钨极打磨成非轴对称的尖端,通过电机控制钨极旋转,使电弧周期性加热窄间隙坡口两侧,有效解决了侧壁熔合问题。为配合该工艺,设计了新型窄间隙TIG旋转电弧焊枪,具备无线回转导电、自动送丝和双路气保护功能。同时,提出了一套适用于LNG储罐立缝位置的自动焊接设备,包括真空吸附的挂壁小车和焊接小车。在实验室搭建了全套试验装备,包括焊接小车、全自动送丝机、焊接电源等,控制焊枪立缝位置的焊接行走,防止9%Ni钢磁化,同时保证焊接过程的稳定。对24 mm厚9%Ni钢进行单层单道的焊接试验和窄间隙坡口对接试验,验证了新工艺能够解决厚板窄间隙焊接中侧壁熔合的问题,并且由于电弧循环旋转,对熔池具有搅拌作用,焊缝表面成形平滑美观。该研究为LNG储罐立缝的自动高效焊接提供了技术和装备支持。     

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。     

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.     

窄间隙横焊焊缝成形不对称性研究

随着大型重工业的发展,厚板在横向位置的焊接越来越受到重视,而窄间隙横向焊接是效率最高、难度最大的一种焊接方法。采用新型扁平状摆动电弧窄间隙焊枪,研究窄间隙横焊时电弧摆动对焊接熔池流动及焊缝不对称性成形的影响规律。试验结果表明,电弧不摆动时熔池在重力作用下下淌,电弧摆动改变了熔池受力位置和热源的分布,使侧壁得到足够的能量实现完全熔合。随着摆动幅度的增加,熔池下淌趋势得到有效抑制,而且在不引起侧壁起弧前提下,摆动幅度越大,焊缝成形对称性越好。     

窄间隙TIG横焊侧壁熔合行为

开展了不同焊接工艺参数对窄间隙坡口上下侧壁熔合行为研究。结果表明,钨极位置对下侧壁的熔深影响比较显著,钨极位置在-1.5mm到-2.5mm时,焊缝成形比较稳定。其次是焊接电流对于下侧壁熔深影响较大,基值电流在150~250A时下侧壁熔合良好。送丝速度和脉冲频率对于焊缝表面弯曲程度和夹角α影响较大,送丝速度增加至3000mm/min之后,夹角α接近直角;脉冲频率大于10Hz,焊缝表面弯曲程度变得很小,夹角α接近直角,以上两种情况严重影响下侧壁熔合。钨极位置和电弧电压对上侧壁熔合行为影响比较显著,钨极位置为1。5mm时,上侧壁开始出现咬边现象。送丝速度增加至3000mm/min时,焊缝与上侧壁的夹角开始变小。     

窄间隙钨极焊接电弧的磁场控制

试验证明,铝真空钎焊时,大都借助于镁才能获得优质接头。本文研究了复合板试样经不同温度的钎焊加热后,用俄歇能谱仪及扫描电镜分析钎料层中镁的变化及钎料层表面形态的变化,明确了镁在钎科熔化温度下能产生聚集性蒸发。这一现象对形成优质接头具有重要作用。此外,用附加镁块的方式,研究了不同镁蒸气浓度对钎料填充间隙能力的影响。结果表明,钎缝附近镁的浓度适量是获得优质钎缝的关键。浓度过大,钎料流失;浓度过小,钎料不漫流,均形不成焊角。通过环状的T型接头试验,由于结构开敞程度的不同(如内外焊角),镁蒸气的作用效果亦不同,调整附加镁量或加罩可获得优质接头。在上述试验的基础上,应用试验所得结果及工艺措施,成功地钎焊了具有空间曲面T型接头的叶轮。     

基于Fluent的窄间隙TIG焊枪结构优化设计

针对大型工程项目当中的大口径、大厚壁、深窄间隙坡口的管道对接需求,设计了一款窄间隙TIG(NG-TIG)焊枪,并实现高效率焊接。该枪体为非对称的一体化扁平式结构,在间隙宽度为10 mm、深度15 mm的U形坡口内进行焊接试验,发现在窄间隙焊接过程中出现了焊缝成形不连续、焊缝出现气孔及电弧不稳等问题。为了达到理想的焊接工艺效果,文中通过Fluent软件进行了数值模拟仿真分析,对窄间隙TIG焊枪的保护气输送通道及其出口布局进行了结构优化,并且在与传统TIG焊枪的保护气体流量及运动轨迹等方面进行对比后,发现保护气体在钨极周围均匀向外扩散,且速度与传统TIG焊枪的气体保护状态接近,从而确定了窄间隙TIG焊枪的气体保护结构。结果表明,焊枪在焊接电流为120 A,焊接速度为100 mm/min,气体流量在25 L/min的焊接工艺参数下电弧稳定、无飞溅,焊缝成形美观无缺陷。创新点： (1)通过Fluent软件对传统TIG焊枪的保护气体状态进行了仿真,并作为参照对窄间隙TIG焊枪的送气结构进行了优化设计。(2)窄间隙TIG焊枪既继承了传统TIG的优势,又解决了窄间隙焊接过程中电弧不稳、焊缝出现气孔等常见的问题。(3)通过非填丝和填丝,在坡口内和管壁盖面2种工况下进行了焊接试验,确定了窄间隙TIG焊枪的良好适用性。     

Electrode tips geometry and penetrating in narrow gap welding

Abstract

The problem of sidewall incomplete fusion in narrow gap tungsten inert gas (TIG) welding could be well solved when the proper magnetic field was added. However, the various tungsten electrode tips seriously affect the distribution of arc pressure and the quality of welding seams. In addition, it is a 350 A GTA, as this is in a regime in which finger penetration is common. This paper studies the distribution of arc pressure of five different styles of tungsten electrode tips: 30° circular cone, 60° circular cone, 60° circular cone with truncated cone of 2 mm diameter, terrace of 2×2 mm and terrace of 2×0·8 mm with the same welding parameters. The character of arc pressure is verified by assaying the seam cross-section under the controlling magnetic field condition in narrow gap welding. The measuring equipment that we designed independently is creative and applicative in narrow gap TIG welding under magnetic fields.     

绝缘片约束TIG电弧在窄间隙中的加热特性

采用坡口侧壁放置绝缘片的方式约束电弧,在4 mm宽的I型坡口内进行窄间隙TIG焊接试验,通过分析坡口截面各区域熔化面积及其所占比例的变化,研究绝缘片约束TIG电弧的加热特性.结果表明,窄间隙中依靠绝缘片对弧根的固壁约束作用能够将电弧加热区域限制在坡口底部,增强电弧对坡口底部和底角的加热效果,防止电弧集中于侧壁燃烧;弧长、绝缘片对弧根的约束程度和焊接电流三者匹配时,可使坡口底角获得可靠熔合;弧长过长会导致电弧直接向侧壁攀升,且无法依靠绝缘片将电弧控制在坡口底部;绝缘片对弧根约束过多以及采用较大的焊接电流,均会导致电弧将绝缘片熔化,造成电弧燃烧不稳定.     

30mm厚钛合金TC4磁控电弧窄间隙TIG焊接接头组织及力学性能研究

对30 mm厚钛合金TC4板材进行磁控电弧窄间隙TIG焊接试验,并对其接头组织与力学性能进行检测分析,包括金相组织、拉伸强度、冲击韧性及显微硬度。通过优化焊接工艺试验,得到了外观成形美观、保护效果良好,未见宏观缺陷的窄间隙焊接接头。焊缝显微组织主要由片状α相、β相及细针状马氏体α′相组成。磁控电弧窄间隙TIG焊接中电弧在窄间隙坡口中进行周期性摆动,能够降低焊接热输入的同时保证侧壁充分熔合,得到的热影响区与常规TIG焊接方法相比要窄,宽度大约为1～2 mm。对接头进行拉伸试验,断裂位置均在焊缝处,断裂方式为韧性断裂,接头抗拉强度可达到母材的96%以上。接头热影响区硬度值最高,焊缝中心区显微硬度最低,整个接头的硬度峰值出现在热影响区的粗晶区,但未见明显的硬化及软化区域。     

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.     

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.     

PLC及触摸屏控制系统在薄壁方管焊接中的设计和应用

采用路径示教、记忆跟踪、参数控制等技术,建立了方管密排焊的TIG自动焊PLC控制系统;介绍了PLC及触摸屏组成的控制系统工作原理、系统构成和软件设计。该系统能根据间隙变化使电流线性调节,并用电孤静特性来匹配电流电压关系,从而获得了稳定的电孤长度,避免了因电流电压特性处于下降段,当电流随间隙减小而减小,工件却向上挠曲,造成钨极扎进焊缝的现象。实验表明,该系统不仅能使焊接生产顺利进行,而且得到均匀一致的焊缝宽度。     

真空磁压缩等离子弧焊接方法的研究

本文介绍了一种新的焊接方法——真空磁压缩等离子弧焊接。真空磁压缩等离子弧是将低真空中的自由电弧用与电极同轴向的磁场压缩后获得的。实验表明,随着气压的降低,自由电弧会越来越扩展,弧根区的电流密度越来越低,直至产生“旁弧”,不能稳定燃烧而熄灭。而且这种低真空自由电弧难以用和普通等离子弧相似的机械方法压缩。采用轴向磁场可以有效地压缩真空电弧。磁压缩的效果随气压的降低趋于明显,气压低于1.33×10~2Pa 时,几十分之一特斯拉(T)的磁场就可获得略粗于电极、上下直径近似相等的弧柱,我们称之为真空磁压缩等离子弧。使用真空磁压缩等离子弧作为热源,可以焊接一般金属和活泼金属,其熔透工件的能力可超过大气氩弧,并可用调节磁场强度的方法,调节电弧的能量分布。与常规氩弧焊、等离子孤焊、电子束焊相比,真空磁压缩等离子弧焊接有其独到的优点,可望在不久的将来获得广泛的应用。     

镁合金交流TIG和脉冲TIG组织性能分析

采用交流TIG和交流脉冲TIG两种焊接方法焊接变形镁合金AZ31B板材,利用高速摄像机和红外热像仪研究稳定焊接过程中的电弧形态和焊接温度场,观察焊接接头的微观组织并进行力学性能拉伸试验.发现脉冲焊接在峰值电流加热时的电弧形态明显大于交流TIG焊接时的电弧.对比焊接温度分布曲线可以看到,脉冲焊接时熔池两侧区域的冷却速度更快.脉冲焊接接头的热影响区更窄,而且晶粒更细小均匀.拉伸结果显示交流脉冲TIG焊接接头强度高于交流TIG焊接接头强度.