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小电流脉冲TIG弧的高频特征

牛永  
【摘要】: 脉冲TIG焊在提高能量密度、热输入控制、焊缝成形以及焊接质量等方面具有独特的优点,近年来在制造业中的应用日益广泛。但目前脉冲电弧的应用频率一般在30kHz以下。论文针对脉冲频率提高以后,电弧可能出现的新现象、新特性以及对焊接工艺的影响进行深入研究,以期探求进一步改善脉冲TIG弧焊性能的技术措施。 深入研究了TIG弧的电学特性。通过对弧-源系统的高频特性分析,建立了TIG弧动态阻抗模型,导出了传递函数,发现了高频电弧的二阶共振特征。围绕改善弧-源系统的高频特性,研制了TIG弧主电源,搭建了基于直流+高频交流的TIG电源、动态阻抗测试机构的实验平台,测试输入不同频率激励电流条件下的TIG弧电弧响应电压,分析电弧的动态阻抗。实验研究证明,小电流TIG弧的电特性具有明显的二阶惯性环节的振荡特征;电弧谐振点的频率与阻抗受到电流基值与弧长的影响;在电弧谐振点,电弧功率最大。 采用电子密度作为研究电弧热力学状态的特征量,研究电弧的热力学特性,研究电弧电特性变化对电弧热力学特性的影响。构建了高频脉冲电弧发射光谱同步观测平台,利用Stark展宽原理和Griem公式,明确了电子密度基值和波动幅值随频率变化的规律,并将电弧热所产生的光谱信号与电弧的电压电流信号相对应,测试了不同频率下TIG弧的电子密度,验证了电子密度与电弧功率具有相同的变化特征,电弧电子密度的基值与波动幅值在谐振点处达到最大。明确了电弧功率、电弧谐振、电子密度三者之间的关系。 研究了高频小电流脉冲TIG弧焊的工艺特性。经过对304不锈钢的实际焊接后发现:在电弧谐振频率上,焊缝的熔深、熔宽都为最大;与直流情况相比熔宽基本不变,而熔深却增大一倍以上;晶粒度在谐振点附近达到最细,结晶方向消失。这一实验结果充分体现了电弧谐振特性的工程意义与实用价值。


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