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耦合电弧AA-TIG焊电弧阳极电弧电压测量与分析
焊接技术与工程 08850106 周肃军 指导教师 黄勇 副教授
摘 要
本文的研究内容主要是：测量与分析耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力分布，研究了焊接电流、弧长、钨极间距、氧元素等主要工艺参数对耦合电弧AA-TIG焊的电弧电压分布的影响。并且对比分析了相同条件下传统TIG焊与耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力分布。结果表明，在相同条件下，耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力峰值小于传统TIG焊电弧压力峰值，随着接电流的增大、电弧压力峰值增大，随弧长的增大，电弧中心压力峰值略增大，随着钨极间距的增大，耦合电弧AA-TIG电弧压力分布由高斯分布向双峰分布过渡，随着氧含量的增加，电弧压力峰值增大；本文还研究了焊接工艺试验验证，通过工艺试验表明：相比传统单弧TIG焊，耦合电弧AA-TIG焊的焊接效率提高、应用范围更广，其能够一次焊透8 mm厚的304不锈钢板，焊缝熔深为传统TIG焊的2-3倍；在500 mm/min的焊接速度下，其焊缝表面成形良好且焊缝熔深有所提高；在1200 mm/min的焊接速度下焊接2 mm厚的不锈钢板单面焊双面成形。
关键词：AA-TIG焊，耦合电弧，电弧压力
ABSTRACT
The study of this article mainly to measure the arc pressue of the AA-TIG coupled arc and study the mechanism of the coupled arc. Research some factors which bring influence on the arc pressue of coupling arc AA-TIG welding, which include welding current，arc length，spacing of two tungstens，and so on. Under the same condition compare cultural TIG and the AA-TIG coupled arc welding the arc pressure distribution. The results indicate that the AA-TIG coupled arc welding the arc pressure peak less than cultural TIG welding arc in the same condition. The third is the welding process test validation. The process test results show that: compared to traditional single-arc TIG welding, the welding efficiency of the coupling arc AA-TIG welding is improved and the applications range is wider. Its penetration is 2-3 times of the conventional TIG welding and the penetration depth of coupling arc AA-TIG welding can reach 8mm at one welding on the 304 stainless steel. At 500 mm/min welding speed, weld surface forming is good and weld penetration increased. At 1200 mm/min welding speed, it is one-side welding of 2 mm stainless steel plate with two-side forming
KEY WORDS: AA-TIG welding, coupling arc, arc pressue
一、 绪论
电弧辅助活性TIG焊接法（AA-TIG焊），该方法采用辅助电弧在焊道表面制造一层很薄的氧化层取代涂敷活性剂，然后进行TIG焊,同样可显著增加焊缝熔深。该方法具有广泛的适用性,不仅可以采用不同的活性焊接保护气体,而且可以应用于多种钢材,可实现高速焊接、全自动化生产,具有更加环保、高效和焊接质量良好等优点, 是一种具有开发和应用价值的新型焊接技术。电弧压力是电弧的基本特性之一，焊接电弧压力与焊接过程中表现出来的熔池形态、熔深尺寸、熔滴过渡、焊缝成形等有密切关系，也是形成不规则焊缝、产生成型缺陷、造成焊接缺陷的重要因素,本文采用静态小孔法，以SUS304不锈钢作为母材对耦合电弧AA-TIG焊的电弧电压进行测量与分析，研究其分布规律，并与传统TIG焊相比较。同时进行工艺试验，，验证了其电弧压力分布对于研究其高速
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焊成形机理，获得良好的焊缝成形，实现焊接的高效生产具有重要意义。 二、 试验系统
本实验采用静态小孔法[1]测量耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力，在焊接方向上，辅助钨极在前，通入小电流，采用氧气和氩气的混合气体作为保护气体，主钨极在后，通入大电流，采用氩气作为保护气体。该方法在辅助电弧中通入氧气来引入活性氧元素，氧气流量通过配比器进行调节。焊接板材选用奥氏体不锈钢SUS304，其上开个直径很小的通孔。此小孔可将通过此点的电弧压力通过导管传至测压元件，测压元件选用扩散硅压力传感器，把压力信号转变为电信号，最后再由计算机将电信号转换成压力值。此外，试验过程中为了满足平面压力的二维测量的需要，阳极安装在移动精度为0.01mm的轴滑台上，可以实现二维平面的准确移动。弧长可以通过焊机的升降台进行调节，因此，试验过程中平台与焊枪之间能够进行精确的三维移动。由此可知，这种方法测量的压力为通过该孔截面的平均值。测量示意图如图2.1
图2.1 AA-TIG焊电弧压力测量系统
三、 结果与讨论
电弧压力对高速焊焊缝成形的影响起重要作用，提高电弧热输入的同时降低电弧压力是解决TIG高速焊焊缝成形问题的一个有效途径。研究分析各种焊接工艺参数如焊接电流、弧长、钨极间距、氧元素等影响因素，以及对比分析耦合电弧AA-TIG电弧压力特性与传统的双钨极氩弧焊，搞清楚其电弧压力分布对于研究其高速焊焊缝成形机理具有重要意义，因此对该方法的电弧压力进行测量分析非常重要 3.1焊接电流对耦合电弧AA-TIG压力分布的影响
图3.1为电弧压力分布随焊接电流变化的规律。由图可知，随着焊接电流的增加，传统单弧以及耦合电弧的电弧压力峰值均显著增大，压力分布的半径增大。耦合电弧的电弧压力峰值增大是因为焊接电流增加导致电流密度增大，主辅钨极产生的两个电弧之间的电磁力增强，电弧之间的吸引程度增强，电弧中心处等离子流力增大，电弧压力峰值增加；压力分布半径增大是因为焊接电流增大，电子移动速度大，等离子流速增大，使电弧压力整体上增大，压力分布半径增大。
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500400 电流200A 电流150A 电流100A电弧压力值P/pa3002001000-6-4-20246电弧压力分布半径d/mm
a 传统单弧电弧压力分布
300250 电流60A+40A 电流90A+60A 电流120A+80A电弧压力值P/pa200150100500-5-4-3-2-101234压力分布半径d/mm
b 耦合电弧压力分布
图3.1 相同电流下传统单弧与耦合电弧AA-TIG电弧压力分布
3.2 弧长对耦合电弧AA-TIG电弧压力分布的影响
图3.3为耦合电弧AA-TIG焊电弧压力分布随弧长变化的规律。由图可知，随着弧长增加耦合电弧AA-TIG焊电弧压力分布随弧长变化规律在2mm钨极间距时减小，而在4mm钨极间距时电弧压力峰值随弧长的增大而增大，这是因为在2mm钨极间距时电弧形态随弧长变化改变不大，而在4mm钨极间距时电弧形态随弧长变化较大且随着弧长的增大两电弧在阳极区域交互作用增大，从而使电弧中心处的电弧压力值略有增大。
10080 弧长4mm 弧长3mm 弧长2mm电弧压力值P/pa6040200-3-2-1012压力分布半径d/mm
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a钨极间距2mm
605040 弧长2mm 弧长3mm 弧长4mm电弧压力值P/pa3020100-10-4-3-2-10123压力分布半径d/mm
b钨极间距4mm
图3.3不同弧长下的耦合电弧AA-TIG电弧压力分布
3.3 钨极间距对耦合电弧AA-TIG电弧压力分布的影响
图3.3为耦合电弧AA-TIG电弧压力分布随钨极间距变化规律。由图可知，随着钨极间距的增大，耦合电弧AA-TIG电弧压力的峰值逐渐减小。从2mm钨极间距到8mm钨极间距电弧压力从顶尖状向平台状过渡，然后向双峰过渡，并且主钨极处的压力峰值要大于辅钨极处的压力峰值。这是因为随着钨极间距的增大，两个电弧之间的电磁力减弱，耦合电弧的中心处的电流密度降低，压力峰值减小。在2mm钨极间距时，耦合电弧形态与单弧相似，压力分布服从高斯分布；随着钨极间距的增大，耦合电弧在钨极尖端处的截面积增大，电流密度降低，电弧压力峰值降低，分布出现平台；当钨极间距继续增大，AA-TIG电弧在阳极上耦合度降低，两个电弧的交互作用减小，电弧分布出现两个峰值，由于主弧电流大于辅助电弧，从而主弧处的电流密度大于辅助电弧，因此主弧处的压力峰值大于辅助电弧处的压力峰值。
8060 钨极间距2mm 钨极间距4mm 钨极间距8mm电弧压力值P/pa40 200-6-4-2024压力分布半径d/mm
图3.3 耦合电弧AA-TIG电弧压力在不同钨极间距下的分布
3.4 辅助电弧氧含量对耦合电弧AA-TIG电弧压力分布的影响
耦合电弧AA-TIG焊在辅助电弧中通入了活性气体氧气，氧气对电弧压力分布的影响如图3.4所示。
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由图可知，相对于纯氩气保护的耦合电弧TIG焊接电弧，辅助电弧中引入氧气后的AA-TIG电弧压力峰值有所增大，随着氧含量的增加，电弧压力峰值增大。这是因为辅助电弧中引入氧气在高温电弧的作用下发生热解离，而热解离属于吸热反应，根据最小电压原理，电弧发生收缩，电弧压力峰值增大。
80 纯氩气 2L/min氧气60 5L/min氧气电弧压力值P/pa40200-3-2-1012压力分布半径d/mm
图3.4 不同氧含量下的耦合电弧AA-TIG电弧压力分布
四． 工艺试验
采用自行研制的AA-TIG焊枪使得两根钨极在一个焊枪内，钨极的调节方便，焊枪里两根钨极能在垂直于板材的情况下实现电弧的耦合。通过改变两钨极间距可控制电弧的耦合程度，焊枪内拥有两个独立的气体回路，通过陶瓷片来隔绝两部分气体的互窜和电路的互连。每个回路拥有自己独立的电路、气路和冷却路线。试验表明采用自行研制的焊枪焊接电弧稳定，焊接过程操控方便，本章以工艺试验结合焊接机理来说明该方法的优越性。
1.针对8mm厚不锈钢板，在100mm/min的焊接速度下相比传统单弧TIG焊，耦合电弧AA-TIG焊的焊接熔深明显增大；在80mm/min的焊接速度下，耦合电弧能够一次焊透8mm厚的304不锈钢板。
2.针对5mm厚的不锈钢板，在500mm/min的焊接速度下，传统单弧TIG焊焊缝出现驼峰焊道，而耦合电弧AA-TIG焊焊缝成形良好，且焊缝熔深略有增大。
3.针对2mm厚的不锈钢板，在1800mm/min焊接速度下，传统单弧TIG焊焊缝出现明显驼峰焊道，耦合电弧TIG焊以及耦合电弧AA-TIG焊焊缝成形良好；在增大线能量的条件下传统单弧TIG出现熔透现象，耦合电弧AA-TIG焊焊缝单面焊焊双面成形。
4.结合耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力特性分析了耦合电弧AA-TIG焊接法的优越性，相比传统单弧TIG焊，该方法焊接效率高，应用范围更广 结论
（1）与传统单弧相比，在相同条件下，由于耦合电弧在钨极处的截面较大，电流密度较低，弧体轴向推力减小，电弧压力减小，因此耦合电弧AA-TIG焊的电弧压力峰值要显著降低。
（2）随着焊接电流的增加，传统单弧以及耦合电弧的电弧压力峰值均显著增大，压力分布的半径增大。随着接电流的减小、电弧压力峰值减小。
（3）耦合电弧AA-TIG焊电弧压力分布随弧长变化规律在2mm钨极间距时与传统单弧相同，都随弧
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长增大，峰值压力降低，4mm钨极间距是，随弧长的增大，电弧中心压力峰值略增大。
（4）相对于纯氩气保护的耦合电弧TIG焊接电弧，辅助电弧中引入氧气后的AA-TIG电弧压力峰值有所增大，随着氧含量的增加，电弧压力峰值增大。
（5）随着钨极间距的增大，耦合电弧AA-TIG电弧压力分布由高斯分布向双峰分布过渡。
参考文献
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