有關氣體熔池耦合活性TIG焊電弧影響的研究

范靈利++劉恒

摘 要：鎢極氬弧焊是現代工業制造中廣泛采用的一種惰性氣體保護焊，電弧與熔池的交互作用在兩者之間形成了一個不斷移動變化的自由界面。本文研究GPCA-TIG 焊接法對焊接電弧及焊縫成形的作用，運用建立的三維統一數學模型對TIG焊接電弧與熔池進行了動態耦合數值模擬。有效避免氧化燒損，達到增加熔深的目的。

關鍵詞：氣體；熔池；耦合； GPCA-TIG

中圖分類號：TG401 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0067-01

氣體熔池耦合活性TIG焊即GPCA-TIG焊，對界面的處理是實現電弧與熔池交互耦合的關鍵。通過主要工藝參數對焊縫熔深和深寬比的影響，揭示電弧-熔池相互作用的機制以及電弧-熔池動態行為的基本規律。常規TIG焊完成單道焊一次成形的板厚小，在相同參數下同時采用該方法，可以更為準確地模擬分析電弧與熔池行為以及預測焊縫的形狀。在考慮界面變形的情況下，該方法具有焊接效率高、焊縫質量較好等優點。特別適用于不銹鋼和鈦、鋁、鎂及其合金的焊接，對焊接虛擬制造工程的應用具有理論價值和實際意義。

1 氣體熔池耦合活性TIG焊電弧概述

氣體熔池耦合活性TIG焊接方法將氣體分兩層流動，電弧與熔池不斷交互耦合。與常規TIG焊方法相比，GPCA-TIG焊能顯著增加傳統焊接方法的熔深，提高焊接效率。將活性元素引入熔池金屬，降低焊接能耗與成本。但因存在針對不同母材金屬需要不同專用活性劑材料，限制了其推廣應用。氣體熔池耦合活性TIG焊接方法，改變熔池表面張力溫度系數是活性劑增加焊縫熔深的主要機理。通過改變外層氣體與熔池的耦合程度，采用內外噴嘴將含活性元素O的氣體與惰性氣體分開。將焊接電弧與熔池結合在一起，通過電弧的作用分解出O元素深入了解焊接過程。提高了焊接過程穩定性，推進電弧-熔池數值模擬分析的理論研究。電弧與熔池不斷交互耦合，可以微量調節進入熔池表面的活性元素O。對于碳鋼和不銹鋼等鐵系合金而言，氣體熔池耦合活性TIG焊電弧顯著增加焊接熔深。

2 試驗方法

本文針對SUS304 奧氏體不銹鋼采用GPCA-TIG焊進行試驗，試件尺寸為200mm×80mm×8mm。內層保護氣體為氬氣，氮氣為外層保護氣體。除去表面油污后用砂紙清理表面，保留 N元素在高溫熔池內的分布狀態。焊接前先用丙酮擦拭工件表面，試驗過程中采用試件底部噴水的方法。待焊件冷卻至室溫后，對高溫熔池進行驟冷處理，直到露出金屬光澤為止。試驗裝置如圖1所示。

GPCA-TIG焊接工藝參數為焊接電流160A，試驗過程中焊槍和驟冷噴水噴嘴保持不動。氬氣氣體流量為10L/min，外層氣體流量為5L/min。焊接試樣進行背面噴水驟冷，鎢極伸出長度3mm且弧長2mm。通過焊接速度60mm/min，熔池截面形貌情況確定出最佳工藝。

3 試驗結果

焊接電弧形態、焊縫表面形貌分別如圖2、圖3所示，表面活性元素可降低熔池金屬表面張力。與常規TIG焊相比GPCA-TIG焊時焊接過程穩定，顯著增加熔深。并且GPCA-TIG焊電弧的外圍收縮明顯，強烈降低熔池金屬表面張力。二者電壓分別為12.8，15.4V，電弧均為典型的鐘罩形態。GPCA-TIG焊焊縫深而窄，可將不銹鋼板不開坡口一次性焊透。更加有效地將電弧熱量傳向熔池底部，并且GPCA-TIG焊焊縫內未發現氧化物夾雜和氣孔等缺陷存在。

4 結語

在考慮界面變形的情況下，采用GPCA-TIG焊方法熔寬明顯收縮。耦合分析電弧與熔池行為特征，焊縫表面成形良好。通過微量調節外層活性氣體氧的含量避免焊接過程中氧化燒損，深入了解焊接過程。焊縫熔深隨內層保護氣體流量的增加，因此GPCA-TIG焊方法具有一定的實際意義。

參考文獻

[1]孫俊生，武傳松.熔池表面形狀對電弧電流密度分布的影響[J].物理學報，2015，49（12）：2427-2432.

[2]蘆鳳桂，姚舜，樓松年，等.熔池表面變形對電弧行為特征的影響[J].焊接學報，2016，25（2）：57-60.