绝缘片约束TIG电弧的静电探针分析及其在超窄间隙中的加热特性

【摘要】：超窄间隙TIG焊接方法兼具TIG焊和窄间隙焊接技术的优势,焊接效率高,接头力学性能优良。然而,由于超窄间隙宽度较小,坡口侧壁的存在使电弧电场分布发生变化,坡口底角处电流密度较低,容易产生底角熔合不良的缺陷,需要通过改变TIG电弧载流区形态及电流密度分布,来调控超窄间隙中电弧加热特性以使坡口底角获得可靠熔合。 本文提出了一种绝缘片约束TIG电弧的方法改变电弧载流区形态及电流密度分布,并将该方法用于调控超窄间隙中电弧加热特性；同时,通过静电探针分析绝缘片约束作用下载流区形态及电流密度分布的变化,对绝缘片对电弧的调控机制进行了研究。 设计并研制了一种低扰动静电探针试验装置对TIG电弧载流区形态进行研究。通过分析探针饱和离子电流和悬浮探针电位波形可以发现,饱和离子电流波形分布宽度能够看作电弧载流区宽度；悬浮探针电位波形宽度则与包括电弧外围负离子区在内的电弧宽度相当；电弧载流区内的正离子作用于探针,使悬浮探针电位幅值减小,并在电位波形上形成一个宽度与载流区相近的凹陷区；通过饱和离子电流的分布趋势可对载流区电流密度分布进行定性分析。 开发了超窄间隙TIG焊接专用焊枪和片状钨极,使用片状钨极可在更大的焊接电流下进行超窄间隙焊接。进一步通过低扰动静电探针研究片状钨极,焊接电流和弧长对TIG电弧载流区形态及电流密度分布的影响,结果表明,电弧弧根在片状钨极前端扩展,导致片状钨极氩弧载流区截面呈近似椭圆形,电流密度和电弧压力均为非轴对称分布；相同焊接参数下,与圆柱钨极氩弧相比,片状钨极氩弧载流区截面积更大,电流密度更低,从而造成片状钨极氩弧具有更小的电弧压力。随着焊接电流的增加,片状钨极氩弧载流区向外扩张,但弧柱内部电磁力产生的收缩效应限制了载流区的扩展,使载流区宽度增幅小于焊接电流的增幅,造成电流密度增大。弧长越小时,片状钨极氩弧载流区截面积越小,电流密度越大；采用较小的弧长,电弧在片状钨极前端扩展能力较弱,载流区电流密度接近于轴对称分布。 开发了用于调控电弧加热特性的绝缘片,通过绝缘片对电弧的约束作用使载流区形态及电流密度分布发生变化,从而达到改变电弧加热特性的目的。使用低扰动静电探针分析绝缘片约束TIG电弧载流区形态及电流密度的变化,研究绝缘片对电弧的约束机制。结果表明,绝缘片能够对片状钨极氩弧弧根起到有效的固壁约束作用,使载流区在绝缘片约束方向上发生收缩,并提高电流密度；同时,绝缘片对弧根产生的附加冷却效果,造成载流区电位梯度增大；随着绝缘片对弧根约束程度的增加,载流区电流密度将进一步增大,且在靠近电弧载流区截面中心的区域内,电流密度增幅较大,意味着绝缘片约束电弧的能量更加集中。 超窄间隙中采用绝缘片约束TIG电弧的方式调控电弧对母材的加热特性,并通过分析坡口截面熔化形貌及熔化面积的变化,研究约束程度、弧长、焊接电流以及焊接速度对电弧加热特性的影响。结果发现,紧贴坡口侧壁放置的绝缘片,能够对超窄间隙中TIG电弧弧根产生固壁约束作用,使电弧载流区发生收缩,电流密度提高,并将电弧加热区域限制在坡口底部,从而加强电弧对坡口底角的加热效果,并使底角处获得足够的电流密度以保证可靠熔合；焊接过程中,绝缘片对弧根的约束程度、弧长、焊接电流和焊接速度均会影响超窄间隙中电弧的加热特性,且以上焊接工艺参数必须相互匹配,才能使坡口底角熔合良好；同时,与已有的超窄间隙TIG焊接方法相比,绝缘片约束TIG电弧超窄间隙焊接方法能够获得更大的熔深。