絕緣片約束TIG電弧的靜電探針分析及其在超窄間隙中的加熱特性.pdf

1、超窄間隙TIG焊接方法兼具TIG焊和窄間隙焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，焊接效率高，接頭力學(xué)性能優(yōu)良。然而，由于超窄間隙寬度較小，坡口側(cè)壁的存在使電弧電場(chǎng)分布發(fā)生變化，坡口底角處電流密度較低，容易產(chǎn)生底角熔合不良的缺陷，需要通過改變TIG電弧載流區(qū)形態(tài)及電流密度分布，來調(diào)控超窄間隙中電弧加熱特性以使坡口底角獲得可靠熔合。
　　本文提出了一種絕緣片約束TIG電弧的方法改變電弧載流區(qū)形態(tài)及電流密度分布，并將該方法用于調(diào)控超窄間隙中電弧加熱特性;同時(shí)

2、，通過靜電探針分析絕緣片約束作用下載流區(qū)形態(tài)及電流密度分布的變化，對(duì)絕緣片對(duì)電弧的調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了研究。
　　設(shè)計(jì)并研制了一種低擾動(dòng)靜電探針試驗(yàn)裝置對(duì)TIG電弧載流區(qū)形態(tài)進(jìn)行研究。通過分析探針飽和離子電流和懸浮探針電位波形可以發(fā)現(xiàn)，飽和離子電流波形分布寬度能夠看作電弧載流區(qū)寬度;懸浮探針電位波形寬度則與包括電弧外圍負(fù)離子區(qū)在內(nèi)的電弧寬度相當(dāng);電弧載流區(qū)內(nèi)的正離子作用于探針，使懸浮探針電位幅值減小，并在電位波形上形成一個(gè)寬度與載流區(qū)相

3、近的凹陷區(qū);通過飽和離子電流的分布趨勢(shì)可對(duì)載流區(qū)電流密度分布進(jìn)行定性分析。
　　開發(fā)了超窄間隙TIG焊接專用焊槍和片狀鎢極，使用片狀鎢極可在更大的焊接電流下進(jìn)行超窄間隙焊接。進(jìn)一步通過低擾動(dòng)靜電探針研究片狀鎢極，焊接電流和弧長(zhǎng)對(duì)TIG電弧載流區(qū)形態(tài)及電流密度分布的影響，結(jié)果表明，電弧弧根在片狀鎢極前端擴(kuò)展，導(dǎo)致片狀鎢極氬弧載流區(qū)截面呈近似橢圓形，電流密度和電弧壓力均為非軸對(duì)稱分布;相同焊接參數(shù)下，與圓柱鎢極氬弧相比，片狀鎢極氬弧載

4、流區(qū)截面積更大，電流密度更低，從而造成片狀鎢極氬弧具有更小的電弧壓力。隨著焊接電流的增加，片狀鎢極氬弧載流區(qū)向外擴(kuò)張，但弧柱內(nèi)部電磁力產(chǎn)生的收縮效應(yīng)限制了載流區(qū)的擴(kuò)展，使載流區(qū)寬度增幅小于焊接電流的增幅，造成電流密度增大?；￠L(zhǎng)越小時(shí)，片狀鎢極氬弧載流區(qū)截面積越小，電流密度越大;采用較小的弧長(zhǎng)，電弧在片狀鎢極前端擴(kuò)展能力較弱，載流區(qū)電流密度接近于軸對(duì)稱分布。
　　開發(fā)了用于調(diào)控電弧加熱特性的絕緣片，通過絕緣片對(duì)電弧的約束作用使載流區(qū)

5、形態(tài)及電流密度分布發(fā)生變化，從而達(dá)到改變電弧加熱特性的目的。使用低擾動(dòng)靜電探針分析絕緣片約束TIG電弧載流區(qū)形態(tài)及電流密度的變化，研究絕緣片對(duì)電弧的約束機(jī)制。結(jié)果表明，絕緣片能夠?qū)ζ瑺铈u極氬弧弧根起到有效的固壁約束作用，使載流區(qū)在絕緣片約束方向上發(fā)生收縮，并提高電流密度;同時(shí)，絕緣片對(duì)弧根產(chǎn)生的附加冷卻效果，造成載流區(qū)電位梯度增大;隨著絕緣片對(duì)弧根約束程度的增加，載流區(qū)電流密度將進(jìn)一步增大，且在靠近電弧載流區(qū)截面中心的區(qū)域內(nèi)，電流密度增

6、幅較大，意味著絕緣片約束電弧的能量更加集中。
　　超窄間隙中采用絕緣片約束TIG電弧的方式調(diào)控電弧對(duì)母材的加熱特性，并通過分析坡口截面熔化形貌及熔化面積的變化，研究約束程度、弧長(zhǎng)、焊接電流以及焊接速度對(duì)電弧加熱特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，緊貼坡口側(cè)壁放置的絕緣片，能夠?qū)Τg隙中TIG電弧弧根產(chǎn)生固壁約束作用，使電弧載流區(qū)發(fā)生收縮，電流密度提高，并將電弧加熱區(qū)域限制在坡口底部，從而加強(qiáng)電弧對(duì)坡口底角的加熱效果，并使底角處獲得足夠的電流密