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铝合金活性TIG焊接法及其熔深增加机理的研究

黄勇  
【摘要】: 活性焊接法是一种高效率、高质量、低能耗、低成本的新型焊接方法,具有广阔的应用前景,引起了人们的广泛关注。本论文通过改变活性剂涂敷方式提出了一种新型铝合金活性TIG焊接法,并分别进行了活性焊接法及其熔深增加机理研究,这对于增加铝合金TIG焊熔深,提高生产效率,具有重要的现实意义。尤其活性剂增加熔深机理的研究,对于开发活性剂和制定焊接工艺,具有指导意义,对于加深人们对活性剂材料影响TIG焊电弧一熔池耦合系统的认识,具有重要的理论意义。 针对铝合金材料,通过改变活性剂涂敷方式提出了一种新型活性焊接法——FZ-TIG焊(Flux Zoned TIG Welding),即分区活性TIG焊接法。该方法是在传统TIG焊前,在待焊焊道表面中心区域涂敷低熔沸点低电阻率活性剂,在两侧区域分别涂敷高熔沸点高电阻率的绝缘层,然后进行正常焊接。采用该方法可解决铝合金A-TIG焊和FB-TIG焊中焊缝熔深显著增加和焊缝表面成形良好不能兼顾的难题。 采用均匀设计法开发了适用于铝合金交流FZ-TIG焊的中间涂层活性剂材料FZ108。当以FZ108+SiO_2作为活性剂进行铝合金交流FZ-TIG焊时,焊缝熔深达到传统交流TIG焊的3.3倍,焊缝成形良好,焊缝组织细化,焊缝力学性能良好。 将铝合金直流正接TIG焊与活性焊接法结合起来,提出采用直流正接活性TIG焊进行铝合金焊接不但能打开焊缝表面氧化膜,而且能增加焊缝熔深。开发了适用于铝合金直流正接FZ-TIG焊的中间涂层活性剂材料FZ109,当以FZ109+SiO_2作为活性剂进行铝合金直流正接FZ-TIG焊时,焊缝熔深显著增加,达到传统直流正接TIG焊的2.7倍,且焊缝成形和焊缝组织都良好。 通过研究增加熔深最明显的单组元活性剂SiO_2和多组元活性剂AF305增加铝合金交流A-TIG焊熔深和活性剂FZ108+SiO_2增加铝合金交流FZ-TIG焊熔深的机理,提出电弧收缩是其增加熔深的主要机理,而不是表面张力梯度改变所造成的熔池内液态金属的流态改变。而铝合金材料表面张力小,粘度低,是导致表面张力温度梯度改变不是活性剂增加铝合金活性TIG焊熔深的主要机理的重要原因。根据活性剂种类和活性剂涂敷方式不同,活性剂收缩焊接电弧的方式有三种,分别为电弧弧根整体收缩而弧柱发散,电弧弧根和弧柱都收缩,电弧斑点离散收缩而弧柱发散。而活性剂收缩方式不同主要是因为活性剂物化特性不同对活性剂在电弧中所经历的物理过程的影响不同,其中主要的物化特性包括活性剂的熔沸点、电阻率、功函数和解离能以及活性剂中所含元素的电离能和电子亲和能等。 针对采用AF305活性剂进行交流A-TIG焊时的电弧斑点离散收缩方式,建立了移动热源作用下的交流A-TIG焊熔池的三维物理数学模型,采用PHOENICS软件进行数值模拟研究了活性剂增加熔深的机理。模拟结果与试验结果基本吻合。当电弧斑点离散收缩时,斑点面积显著减小,使熔池表面由负的表面张力温度梯度驱动的向外流动的Marangoni环流和熔池内部由电磁力驱动的向内环流都增强。但由于电弧斑点的离散分布,使向内环流的作用区域显著增加,使得电弧热量被有效传输到熔池底部,熔深显著增加。


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