脉冲gtaw熔池振荡行为研究(附件)【字数：16940】
摘 要摘 要脉冲钨极氩弧焊（P-GTAW）由于其具有热输入精确可控，电弧能量集中、挺度高，深宽比大等优点，如今已经广泛地应用于薄板对接和管道、压力容器的打底焊中。然而，在焊接过程中，焊接熔池总是存在着振荡，尤其是在脉冲的作用下，其振荡更加明显，并且熔池的振荡模式与熔池的几何形状特别是与焊接熔池的熔透与否紧密相关，熔池振荡频率则是振荡模式和焊缝熔透量的一个特征相关量。本文采用 P-GTAW 激振熔池表面产生振荡，在6mm厚的A3板上进行平板堆焊工艺试验，测试焊接工艺参数即焊接电流、焊接速度以及脉冲频率的变化对P-GTAW熔池振荡行为的影响，并在熔池中加入碳化硅来追踪液体的流动。焊接过程中用XIRIS焊接相机拍摄熔池的振荡行为，最后针对试验结果，截取实时图像进行理论分析，获得P-GTAW熔池振荡行为的机理。实验结果表明由于脉冲电流的激振以及峰值电流和基值电流的快速交替变化使得熔池受到的热流冲击和电弧压力等增加，熔池中的液态金属随电流作周期性的变化波动，因此熔池产生了周期性的振荡，最后在冷却凝固时就产生了排列整齐的鱼鳞纹。焊接工艺参数对熔池振荡有很大的影响，焊接电流增大时，熔池的体积及熔宽增加，振幅变大，振荡更明显；焊接速度增大时，熔宽减小，熔池末端聚集的液态金属来不及回流导致鱼鳞纹间隙增大，其鱼鳞纹的高度也越大；脉冲频率增加时，熔池振荡的频率随之增加，鱼鳞纹间隙显著减小，同时鱼鳞纹高度也减小。熔池的振荡行为可以影响焊缝最终的组成、几何结构和焊接接头的物理性能等，对今后控制焊缝的质量及熔透状态有重大意义。 关键词脉冲GTAW；熔池熔透状态；焊缝成形；熔池振荡；液体流动
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题目的及意义 1
1.2 GTAW及PGTAW的比较 2
1.3 GTAW的国内外研究现状 5
1.3.1 活性化TIG焊（ATIG） 5
1.3.2 热丝TIG焊 5
1.3.3 TOPTIG焊 6
1.3.4尾孔TIG焊技术 6
1.3.5窄间隙TIG焊技术 6
1.4对于熔池熔透状态的控制 6
1.4.1 光电检测法 7
1.4.2声电法 7
1.4.3 超声波法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
8
1.4.4 电压法 8
1.4.5 熔池振荡频率法 8
1.5 研究内容及方法 8
1.5.1 研究内容 8
1.5.2 研究方法及过程 9
第二章 试验材料、方法及设备 10
2.1 脉冲GTAW焊接试验材料 10
2.1.1 焊件 10
2.1.2 保护气 10
2.1.3钨极 10
2.1.4碳化硅 11
2.2试验设备 12
2.2.1 焊机 12
2.2.2钨极研磨机 13
2.2.3 XIRIS焊接相机 13
第三章 PGTAW改变焊接参数时的熔池振荡 15
3 .1 试验目的及参数选择 15
3.1.1试验目的 15
3.1.2 焊接工艺参数的选择依据 15
3.2 焊接电流的变化对熔池振荡的影响 16
3.3 焊接速度的变化对熔池振荡的影响 20
3.4 脉冲频率的变化对熔池振荡的影响 24
3.5 碳化硅示踪 28
第四章 PGTAW熔池振荡行为的机理分析 31
4 .1 熔池振荡的产生机理 31
4.2 熔池振荡的几种模型 32
4.2.1 未熔透的状态 32
4.2.2 完全熔透的状态 32
4.2.3 临界熔透的状态 33
4.3 振荡频率的计算及意义 34
结 论 36
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1选题目的及意义
GTAW是非熔化极气体保护焊的简称，它的电极是由纯钨或活化钨制成，焊接保护气由氩气等惰性气体混合或不混合组成，这种焊接方法又可简称为TIG焊或者钨极氩弧焊。而脉冲钨极氩弧焊，又称PGTAW，是在传统氩弧焊的基础上，由焊接电源对电弧提供不均匀的电流，这个以一定规律变化的电流分为基值电流和峰值电流。
这种脉冲电流技术的应用相对于传统的钨极氩弧焊是一大进步，在这种技术下的焊接电弧能量集中并且挺度高，可以精确控制脉冲GTAW的热输入，从而有效控制熔池的体积、熔深、热影响区大小，因此脉冲GTAW不但可以焊接一般的金属及其合金，还可以焊接一些对温度变化敏感的特殊材料以及一些薄件和管件等[1]。
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图1.1 氩弧焊打底
在PGTAW焊接过程中，熔池内部伴随着多个复杂物理过程的进行，焊接时熔池的表面张力、电磁力、浮力等共同决定了熔池的流动行为，这些力的共同作用使得液态金属不断经历强烈的循环和振荡，熔池的流动行为影响着焊缝周围液态金属的对流和传热，而熔池的对流传热决定了焊件最终的应力分布，与此同时熔池中的传质也受到熔池流动的作用，熔池的传质规律直接决定着焊缝金属的元素分布，进而影响了焊缝抗腐蚀、抗疲劳等性能。并且在实际焊接过程中，对于熔透状态我们很难通过肉眼或者仪器检测到，周围环境或者其他外界因素都会造成不稳定的熔透，而不稳定的熔透状态会严重影响到最后的焊接质量[3]，研究熔池的振荡对今后控制焊缝的熔透状态有很大的意义。
总之，熔池的振荡影响着焊缝的组成、几何、结构和焊接接头的物理性能，探究熔池的振荡对提高焊接质量具有重要的指导意义。所以，本文针对GTAW焊接过程中熔池的振荡行为和熔池流动进行研究[46]，获得焊接工艺参数对GTAW熔池振荡行为的影响规律，并探究其振荡机理。
1.2 GTAW及PGTAW的比较
GTAW的工作原理如图1.2所示，钨极安装在电极夹上，穿过焊枪喷嘴，钨极端部通常伸出34mm，并在其与被焊材料中间出现电弧，实现对被焊材料的加热。另外，惰性气体很快充入焊枪中，流经喷嘴到达进行焊接的地方，从而保护钨极、电弧及熔池，使其隔绝大气中的有害气体。对薄板进行焊接时，通常不必使用焊丝，能够依靠焊接过程中被焊材料的自身熔融过程形成焊缝。遇到厚板或者各种带坡口的被焊材料时，可通过人工或机器把填充金属加到电弧的前面，以规定的速度送入电弧中去。高温下熔化的填充金属与被焊材料共同冷却，从而凝固形成焊缝[1]。
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图1.2 GTAW工作原理
相比于一般的金属，钨因其熔点很高，所以不易熔化、能够在很高温度下长时间焊接。于是氩弧焊凭借钨的这个物理特点，在钨极一端与被焊材料之间产生电弧完成焊接。因钨极在整个焊接的过程中不会熔化，所以电弧长度和焊接电流稳定，最终得到稳定的焊接过程。
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题目的及意义 1
1.2 GTAW及PGTAW的比较 2
1.3 GTAW的国内外研究现状 5
1.3.1 活性化TIG焊（ATIG） 5
1.3.2 热丝TIG焊 5
1.3.3 TOPTIG焊 6
1.3.4尾孔TIG焊技术 6
1.3.5窄间隙TIG焊技术 6
1.4对于熔池熔透状态的控制 6
1.4.1 光电检测法 7
1.4.2声电法 7
1.4.3 超声波法 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
8
1.4.4 电压法 8
1.4.5 熔池振荡频率法 8
1.5 研究内容及方法 8
1.5.1 研究内容 8
1.5.2 研究方法及过程 9
第二章 试验材料、方法及设备 10
2.1 脉冲GTAW焊接试验材料 10
2.1.1 焊件 10
2.1.2 保护气 10
2.1.3钨极 10
2.1.4碳化硅 11
2.2试验设备 12
2.2.1 焊机 12
2.2.2钨极研磨机 13
2.2.3 XIRIS焊接相机 13
第三章 PGTAW改变焊接参数时的熔池振荡 15
3 .1 试验目的及参数选择 15
3.1.1试验目的 15
3.1.2 焊接工艺参数的选择依据 15
3.2 焊接电流的变化对熔池振荡的影响 16
3.3 焊接速度的变化对熔池振荡的影响 20
3.4 脉冲频率的变化对熔池振荡的影响 24
3.5 碳化硅示踪 28
第四章 PGTAW熔池振荡行为的机理分析 31
4 .1 熔池振荡的产生机理 31
4.2 熔池振荡的几种模型 32
4.2.1 未熔透的状态 32
4.2.2 完全熔透的状态 32
4.2.3 临界熔透的状态 33
4.3 振荡频率的计算及意义 34
结 论 36
致 谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1选题目的及意义
GTAW是非熔化极气体保护焊的简称，它的电极是由纯钨或活化钨制成，焊接保护气由氩气等惰性气体混合或不混合组成，这种焊接方法又可简称为TIG焊或者钨极氩弧焊。而脉冲钨极氩弧焊，又称PGTAW，是在传统氩弧焊的基础上，由焊接电源对电弧提供不均匀的电流，这个以一定规律变化的电流分为基值电流和峰值电流。
这种脉冲电流技术的应用相对于传统的钨极氩弧焊是一大进步，在这种技术下的焊接电弧能量集中并且挺度高，可以精确控制脉冲GTAW的热输入，从而有效控制熔池的体积、熔深、热影响区大小，因此脉冲GTAW不但可以焊接一般的金属及其合金，还可以焊接一些对温度变化敏感的特殊材料以及一些薄件和管件等[1]。
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图1.1 氩弧焊打底
在PGTAW焊接过程中，熔池内部伴随着多个复杂物理过程的进行，焊接时熔池的表面张力、电磁力、浮力等共同决定了熔池的流动行为，这些力的共同作用使得液态金属不断经历强烈的循环和振荡，熔池的流动行为影响着焊缝周围液态金属的对流和传热，而熔池的对流传热决定了焊件最终的应力分布，与此同时熔池中的传质也受到熔池流动的作用，熔池的传质规律直接决定着焊缝金属的元素分布，进而影响了焊缝抗腐蚀、抗疲劳等性能。并且在实际焊接过程中，对于熔透状态我们很难通过肉眼或者仪器检测到，周围环境或者其他外界因素都会造成不稳定的熔透，而不稳定的熔透状态会严重影响到最后的焊接质量[3]，研究熔池的振荡对今后控制焊缝的熔透状态有很大的意义。
总之，熔池的振荡影响着焊缝的组成、几何、结构和焊接接头的物理性能，探究熔池的振荡对提高焊接质量具有重要的指导意义。所以，本文针对GTAW焊接过程中熔池的振荡行为和熔池流动进行研究[46]，获得焊接工艺参数对GTAW熔池振荡行为的影响规律，并探究其振荡机理。
1.2 GTAW及PGTAW的比较
GTAW的工作原理如图1.2所示，钨极安装在电极夹上，穿过焊枪喷嘴，钨极端部通常伸出34mm，并在其与被焊材料中间出现电弧，实现对被焊材料的加热。另外，惰性气体很快充入焊枪中，流经喷嘴到达进行焊接的地方，从而保护钨极、电弧及熔池，使其隔绝大气中的有害气体。对薄板进行焊接时，通常不必使用焊丝，能够依靠焊接过程中被焊材料的自身熔融过程形成焊缝。遇到厚板或者各种带坡口的被焊材料时，可通过人工或机器把填充金属加到电弧的前面，以规定的速度送入电弧中去。高温下熔化的填充金属与被焊材料共同冷却，从而凝固形成焊缝[1]。
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图1.2 GTAW工作原理
相比于一般的金属，钨因其熔点很高，所以不易熔化、能够在很高温度下长时间焊接。于是氩弧焊凭借钨的这个物理特点，在钨极一端与被焊材料之间产生电弧完成焊接。因钨极在整个焊接的过程中不会熔化，所以电弧长度和焊接电流稳定，最终得到稳定的焊接过程。
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