等离子弧焊匙孔对电弧物理特性影响规律的研究

匙孔是等离子弧焊的重要特征。建立等离子弧焊电弧数值模型,对比分析含匙孔和不考虑匙孔的两种情况下,电弧温度场、流场、电磁场等物理特性的差异性,揭示匙孔对等离子弧物理特性的影响规律。采用光谱诊断方法计算电弧温度分布,从而验证模拟结果。数值模拟研究结果表明,匙孔的出现,导致电弧体积增大,弧柱区平均电流密度下降,从而导致电弧最高温度降低约2 400K,等离子体最大流速从437m/s降低到349m/s。匙孔直径沿匙孔深度方向减小,对电弧产生附加的机械压缩作用,使匙孔底部电弧的温度和速度上升。数值模拟与光谱诊断获取的轴线上温度大小及变化规律相接近,证明电弧数值模型的可靠性,也说明建立等离子弧数值模型时,应当考虑匙孔的影响。     

活性剂焊接技术的研究

活性剂焊接是近十年来发展起来的增大焊接熔深，改善焊缝成形和焊接质量，提高焊接生产效率的新技术。早期主要集中在A—TIG焊，已在碳钢、不锈钢、高温合金、钛合金的焊接中有了成功的应用，对于铝镁合金的活性剂焊接技术也在研究中。目前研究认为活性剂提高熔深的机理一是活性剂可影响电弧特性，提高电弧的能量密度和作用于熔池的电弧力，二是活性剂影响了熔池的表面张力而提高了焊接熔深，或是2种原因兼而有之。随着A—TIG焊应用的成熟，活性剂焊接拓展到MIG焊、等离子弧焊和激光焊中的应用成为活性剂焊接发展的一个方向，在提高熔深，改善焊缝成形方面有了初步的效果。     

电弧等离子体多物理场分布特征

等离子弧加热技术被广泛应用于冶金领域,采用磁流体动力学理论(Magnetohydrodynamic theory,MHD)建立直流电弧等离子体的数学模型,利用Fluent软件求解电磁场、温度场、速度场的耦合过程,研究不同弧长大小,不同入口速度对电弧温度分布、形貌、轴向速度分布和电流密度分布的影响。研究结果表明,弧长大小和入口速度对电弧特征分布有明显影响,但不是线性相关。电弧温度沿轴向降低,径向温度分布是以轴线为中心沿两侧径向逐渐降低,等离子弧温度呈“钟型”分布。电弧中心轴线速度在阴极处急剧增加然后逐渐降低。沿轴向方向,电流密度呈指数下降趋势。当入口速度为10 m/s时,随着弧长的增加,电弧有效作用面积范围也增加,当弧长为20 mm或25 mm时,射流现象最明显,轴向最大速度可达到约408 m/s。研究结果解释了不同弧长和入口速度对电弧特征的影响规律,为电弧等离子体加热工艺的应用提供了理论依据。     

等离子弧焊及摩擦焊接技术

等离子弧焊技术 等离子弧又称压缩电弧，它不同干一般的电孤。一般电弧焊所产生的电弧，因不受外界的约束，故也称它为自由电弧。通常，提高弧柱的温度是通过增大电弧功率的方法来解决，但由于自由电弧的温度都不高，一般平均只有6000～8000℃左右。等离子电弧是由等离子弧发生装置产生的。当在钨极和工件之间加上一个较高的电压并经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。     

高速旋转电弧焊

焊接生产中广泛应用的焊条电弧焊、CO_2气体保护焊和埋弧自动焊的电弧都属于自由电弧,而等离子弧焊的电弧是压缩电弧。无论是自由电弧还是压缩电弧,在焊接过程中电弧自身是不旋转的,只是沿某一种预定的方向(焊接方向)而运动。     

等离子弧焊与自动氩弧焊组合焊接工艺分析

相比传统的氩弧焊与手工电弧焊,等离子弧焊除了具有焊前准备少、对焊工技术要求较低的优点之外,还具有焊接效率高、焊缝成型好、焊缝质量高以及使用成本低等优势。尤其在焊接中薄钢板时,等离子弧焊的效率和经济效益是传统焊接方法无法比拟的。等离子焊能够在极短时间内通过电弧加热形成等离子弧击穿钢板形成小孔效应,从而对焊缝进行高效快速的焊接。     

表面活性剂对TIG焊电弧现象及焊接熔深的影响

在变动焊接电流下检测电弧电压,考察A-TIG焊电弧收缩及活性剂的影响。采取适当的试验方法研究A-TIG焊活性剂对电弧现象及活性剂涂敷量对焊接熔深增加的作用。结果表明,A-TIG焊电弧是否产生收缩与所使用的活性剂有关,即使在电弧未产生收缩情况下,表面活性剂仍然对焊接熔深的增加有较大的作用。     

焊接材料质量信息的智能化判读

为了在线判读弧焊焊接过程的质量信息,开发了焊接电流、电弧电压信号采集和分析系统.     

活性剂增加铝合金交流A-TIG焊熔深机理研究

采用多组元活性剂AF305进行铝合金交流A-TIG焊时,熔深达到传统TIG焊的3倍以上。进行了交流、直流正接和直流反接A-TIG焊,发现极性不同时活性剂对熔深的影响也不同。研究了强制电弧收缩对交流焊熔深的影响,发现弧根整体收缩并不是AF305增加交流A-TIG焊熔深的主要机理,熔深显著增加主要与焊渣成片分布有关。对焊渣进行了SEM形貌观察和EDS成分分析,并采用氦弧焊证实了焊接过程中焊渣在熔池表面成片分布,电弧斑点极大收缩。向AF305活性剂中添加铝粉改变焊渣分布,研究焊渣分布与熔深的关系,证实了焊渣成片分布能增加焊接熔深。认为焊渣成片分布使得电弧斑点极大收缩,斑点压力以及电弧和熔池内的Lorentz力增强,最终焊接熔深显著增加。     

液料射流下等离子电弧温度场的仿真分析

利用有限元分析软件Fluent,研究了液料等离子啧涂中等离子枪口到待处理基板之间的等离子射流温度场分布特性,并考察了液料入射速度对等离子喷射特性的影响。结果表明,等离子射流的温度场形貌呈倒锥形分布,并沿径向呈高斯分布衰减;随着液料入射速度增大,等离子弧的温度峰值没有变化,等离子射流轴线上距枪口越远处温度下降越快。谱线标准温度法对等离子射流CCD图像的处理数据与模拟计算值基本吻合,验证了计算结果的准确性。     

基于TIG焊电弧-熔池统一模型分析焊接电弧

以TIG焊电弧为研究对象,建立了电弧—熔池的统一模型,并在此模型的基础上对焊接电弧进行了分析。建立此模型就避免了对阳极表面温度的假定,使得对焊接电弧的分析与实际情况更近了一步,从而也为将焊接电弧和熔池作为一个整体来进行分析奠定了基础。采用ANSYS软件分析并得到了阳极表面温度的变化情况,阳极表面电流密度的分布状况,得出热流密度与电流密度分布规律的一致性。并从电磁力和流体流动的角度揭示了电弧压力产生的原因,并通过试验验证了电流密度和电弧压力的分布情况。     

焊接电流影响GMAW双丝焊电弧等离子体的数值模拟研究

基于电磁学理论和流体力学理论,建立熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)双丝焊焊接电弧等离子体三维数学模型,利用流体力学软件Fluent对其进行求解。重点研究焊接电流对GMAW双丝焊电弧等离子体行为的影响规律,获得了电弧温度、电流密度、热通量、磁场分布等结果。研究发现,随着焊接电流的变化,电弧等离子体形状变化显著。随着焊接电流的增大,电弧最高温度和电弧偏转角随之增大,电流密度和工件表面热通量由双峰分布转变为单峰分布,并且热通量峰值随焊接电流的增大而增大。此外,随着焊接电流的增大,磁感应强度和磁场力随之最大,磁场分布由独立两个磁场向耦合磁场转变。为有效、定量地证明模拟结果准确性,开展焊接试验,利用高速摄像监测电弧行为,利用光谱测温测量电弧温度。结果表明模拟结果同试验结果吻合良好,研究结果为合理选择GMAW双丝焊焊接电流参数提供理论依据。     

穿孔等离子弧焊正面弧光传感技术研究

小孔的稳定性是影响穿孔等离子弧焊焊接过程稳定性及接头质量的重要因素。在等离子弧发射光谱分析的研究基础上,研制了轻便实用的弧光传感器,采用普通光电器件和滤光镜片替代赘重昂贵的光谱分析系统,可以捕捉到表征小孔特征状态的信号。介绍了弧光传感器的组成、物理模型及信号特征。     

不锈钢等离子弧焊熔池小孔行为的弧光传感研究

针对不锈钢穿孔等离子弧焊过程,熔池小孔的特征行为与弧光光谱辐射强度之间的关系进行了光谱试验研究。随着小孔的形成与闭合,弧光光谱辐射强度产生了形似于负脉冲信号的显著跃变,该跃变信号对于预测小孔的形成和闭合是极为有利的,而且通过检测敏感谱线的辐射强度可以优化传感信号品质。     

GMAW焊接过程监测Kohonen神经网络系统

实时测量熔化极气体保护焊（ＧＭＡＷ）焊接过程中的电参数，研制自组织特征映射神经网络（Ｋｏｈｏｎｅｎ神经网络），直接依据不同焊接工艺条件下焊接电压的概率密度分布曲线（ＰＤＤ）以及短路过渡时间的频数分布曲线（ＣＦＤ），自动识别出焊接过程中的各种干扰信号。     

脉冲熔化极气体保护焊的模糊控制

为实现GMAW-P焊过渡过程的稳定,设计了GMAW-P焊新的焊接电流波形,并在此基础上建立了以电弧电压为被控制量、基值时间和送丝速度为控制量的自调整因子的模糊控制系统。试验结果表明该控制系统响应速度快,控制精度高,可实现对电弧电压的稳定控制。     

熔化极脉冲氩弧焊弧长动态调节性能研究

介绍了一种新型的单周期脉冲MIG焊控制法,该法采用非线性控制,通过实时采集电弧电压信号,控制每一个脉冲周期内的平均电弧电压和预设值相同,系统具有很强的弧长调节能力。当扰动发生时,在每一个周期内,电弧电压的平均值和设定值之间既不存在静态误差也不存在瞬态误差,弧长可以在数个周期内调整到稳定。在深入研究电弧动态调节过程的基础上,对原来方案进行优化设计。试验结果表明,该系统具有优异的电弧自身调节特性,焊接工艺性能良好。     

Study of mechanism of activating flux increasing weld penetration of AC A-TIG welding for aluminum alloy

When multi-component flux AF305 is used as surface activating flux for an aluminum alloy, the weld penetration of activating flux-tungsten inert-gas (A-TIG) welding is over two times more than that of conventional TIG welding. Using A-TIG welding with the modes of alternating current (AC), direct current electrode negative (DCEN) and direct current electrode positive (DCEP), respectively, the flux differently affects weld penetration when the polarity is different. After studied the effect of compelled arc constriction on weld penetration of AC welding, it is believed that the constriction of the whole arc root is not the main mechanism that flux AF305 dramatically improves weld penetration. The penetration has a relationship with the separate distribution of slag on the weld surface. Then, an observation of scanning electron microscopy (SEM) and an electronic data systems (EDS) analysis of slag were performed respectively. The separate distribution of slag on the weld pool during welding and the great constriction of arc spots were confirmed by TIG welding with helium shielding gas. The relationship between slag distribution and weld penetration was studied by adding aluminum powder into flux AF305 to change the distribution of slag. During welding, the separate distribution of slag on the weld pool results in the great constriction of arc spots, an increase in arc spot force, and an increase in Lorentz force within the arc and weld pool. Finally, the weld penetration is increased. __________ Translated from Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(5): 45–49 [译自: 机械工程学报]