氧与电弧-熔池耦合行为及焊缝成形机理

提出了一种用辅助电弧原位生成活性剂的活性TIG焊方法（AA-TIG焊），可不用预先涂敷活性剂实现连续、高速、深熔深焊接，是一种国内外尚未开发的创新性方法。开发该方法时除处理相关工艺问题外还需解决以下科学问题：1、氧元素的过渡行为；2、氧元素对熔池表面张力和熔池流动的作用机理；3、高速焊焊缝成形机理。本项目采用骤冷法分析氧元素过渡行为。将熔池金属表面张力与熔体短程序参数变化相关联研究表面张力变化机理，通过数值模拟研究氧元素对熔池流动的影响。通过分析氧元素引入和双钨极耦合电弧对高速焊耦合电弧压力、温度分布和熔池表面张力的影响规律，研究抑止咬边和驼峰焊道的机理，并改变主电弧与辅助电弧的间距以及辅助电弧保护气氧含量，搞清楚焊速提高与焊接过程稳定、熔深增加和焊缝质量良好之间的制约关系。本项目的研究对于增强对活性元素影响电弧-熔池耦合系统的机理的认识，推动AA-TIG焊的研究和应用，具有重要意义。

针对分离电弧AA-TIG焊，分析了预熔氧化层厚度对焊缝成形的影响，结果表明随着氧化层的增厚，焊缝深宽比先增加后减小。预熔氧化层由表面氧化层和预熔金属构成，表面氧化层主要以铬、锰、硅的氧化物及其复合氧化物为主，氧化层中平均氧含量约为37%。FeO主要存在于预熔层金属中，是增加熔深的主要成分。分别测定了耦合电弧AA-TIG焊和分离电弧AA-TIG焊时熔池氧元素分布，发现对于这两种焊接模式，焊接熔池的氧主要富集于表面50微米的范围内，且分布极不均匀，熔池中则含量很低。结合氧化层的形成过程，研究了氧气引入对焊缝组织性能变化的影响，随着氧气引入量的增大，焊缝的抗拉强度变化不大，焊缝的低温冲击韧性有所下降。相对于分离电弧AA-TIG焊，耦合电弧AA-TIG焊焊缝的冲击韧性下降较少。采用骤冷装置保留焊接熔池状态后重熔, 利用座滴法测试了熔池表面张力, 获得了在辅助电弧保护气引入不同量的氧气时熔池的表面张力随温度的变化规律，发现随着辅助电弧氧气引入会降低表面张力，随着引入量的增加, 熔池的表面张力温度系数由负值变为正值，当继续增大时，表面张力温度系数再次变为正值。结合AA-TIG焊时氧分布的实验结果，建立了更加完善的AA-TIG焊熔池模型，研究了氧对熔池流动和熔深增加的机理。对于氧的分布，只有富集于表面的氧会改变表面张力，进而改变熔池流动方式和热对流模式，最终影响焊缝熔深。针对耦合电弧AA-TIG焊，研究了主要工艺参数对焊缝成形的影响规律，进行了焊缝韧性测试，得到了主要工艺参数与良好的焊缝成形和性能之间的关系。针对耦合电弧AA-TIG焊，设计并改进了专用的焊枪，不采用双焊枪焊接，可使AA-TIG焊在合适的工艺参数下单道焊接熔深达到11.4mm。在此基础上，测量了耦合电弧阳极压力分布、阳极电流密度分布以及温度分布。建立了耦合电弧-熔池统一的数学模型，研究了耦合电弧特性，耦合电弧和氧元素共同作用下的熔池流动和传热过程。耦合电弧压力、电流密度与相同条件下的TIG电弧相比明显减小，熔池表面温度在一定的钨极间距下沿焊接方向拉长。结合实验结果和模拟研究，初步分析了耦合电弧高速焊焊缝成形机理，认为氧元素的存在、电弧力减小以及温度场在焊接方向被拉长是耦合电弧AA-TIG高速焊焊缝成形的主要机理。