有关气体熔池耦合活性TIG焊电弧影响的研究

范灵利++刘恒

摘 要：钨极氩弧焊是现代工业制造中广泛采用的一种惰性气体保护焊，电弧与熔池的交互作用在两者之间形成了一个不断移动变化的自由界面。本文研究GPCA-TIG 焊接法对焊接电弧及焊缝成形的作用，运用建立的三维统一数学模型对TIG焊接电弧与熔池进行了动态耦合数值模拟。有效避免氧化烧损，达到增加熔深的目的。

关键词：气体；熔池；耦合； GPCA-TIG

中图分类号：TG401 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0067-01

气体熔池耦合活性TIG焊即GPCA-TIG焊，对界面的处理是实现电弧与熔池交互耦合的关键。通过主要工艺参数对焊缝熔深和深宽比的影响，揭示电弧-熔池相互作用的机制以及电弧-熔池动态行为的基本规律。常规TIG焊完成单道焊一次成形的板厚小，在相同参数下同时采用该方法，可以更为准确地模拟分析电弧与熔池行为以及预测焊缝的形状。在考虑界面变形的情况下，该方法具有焊接效率高、焊缝质量较好等优点。特别适用于不锈钢和钛、铝、镁及其合金的焊接，对焊接虚拟制造工程的应用具有理论价值和实际意义。

1 气体熔池耦合活性TIG焊电弧概述

气体熔池耦合活性TIG焊接方法将气体分两层流动，电弧与熔池不断交互耦合。与常规TIG焊方法相比，GPCA-TIG焊能显著增加传统焊接方法的熔深，提高焊接效率。将活性元素引入熔池金属，降低焊接能耗与成本。但因存在针对不同母材金属需要不同专用活性剂材料，限制了其推广应用。气体熔池耦合活性TIG焊接方法，改变熔池表面张力温度系数是活性剂增加焊缝熔深的主要机理。通过改变外层气体与熔池的耦合程度，采用内外喷嘴将含活性元素O的气体与惰性气体分开。将焊接电弧与熔池结合在一起，通过电弧的作用分解出O元素深入了解焊接过程。提高了焊接过程稳定性，推进电弧-熔池数值模拟分析的理论研究。电弧与熔池不断交互耦合，可以微量调节进入熔池表面的活性元素O。对于碳钢和不锈钢等铁系合金而言，气体熔池耦合活性TIG焊电弧显著增加焊接熔深。

2 试验方法

本文针对SUS304 奥氏体不锈钢采用GPCA-TIG焊进行试验，试件尺寸为200mm×80mm×8mm。内层保护气体为氩气，氮气为外层保护气体。除去表面油污后用砂纸清理表面，保留 N元素在高温熔池内的分布状态。焊接前先用丙酮擦拭工件表面，试验过程中采用试件底部喷水的方法。待焊件冷却至室温后，对高温熔池进行骤冷处理，直到露出金属光泽为止。试验装置如图1所示。

GPCA-TIG焊接工艺参数为焊接电流160A，试验过程中焊枪和骤冷喷水喷嘴保持不动。氩气气体流量为10L/min，外层气体流量为5L/min。焊接试样进行背面喷水骤冷，钨极伸出长度3mm且弧长2mm。通过焊接速度60mm/min，熔池截面形貌情况确定出最佳工艺。

3 试验结果

焊接电弧形态、焊缝表面形貌分别如图2、图3所示，表面活性元素可降低熔池金属表面张力。与常规TIG焊相比GPCA-TIG焊时焊接过程稳定，显著增加熔深。并且GPCA-TIG焊电弧的外围收缩明显，强烈降低熔池金属表面张力。二者电压分别为12.8，15.4V，电弧均为典型的钟罩形态。GPCA-TIG焊焊縫深而窄，可将不锈钢板不开坡口一次性焊透。更加有效地将电弧热量传向熔池底部，并且GPCA-TIG焊焊缝内未发现氧化物夹杂和气孔等缺陷存在。

4 结语

在考虑界面变形的情况下，采用GPCA-TIG焊方法熔宽明显收缩。耦合分析电弧与熔池行为特征，焊缝表面成形良好。通过微量调节外层活性气体氧的含量避免焊接过程中氧化烧损，深入了解焊接过程。焊缝熔深随内层保护气体流量的增加，因此GPCA-TIG焊方法具有一定的实际意义。

参考文献

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