高能量焊接电弧的形成机理及其物理属性的研究

A proposal for establish high energy density arc in hypernormal mode under the Gas Tungsten Arc Welding condition is put forward.The main mechanisms for enhancing energy density are according to the effects of self-magnetic convergence and thermal-ionization. The phsical structure is based on multi-electrode for arc aggregation. It would enhance argon ionization degree and obtain higher electron density as well as higher arc energy density under circumstances in the proposal. Furthermore, the efficacy of the arc coupling with high frequance pulsed current is investigated to obtain better property in welding. The result of the proposal may achieve marked improvememt to conventional welding arc both in energy and properties. It may provide a fundamental knowledge for arc physics and welding engineering application.

本项目研究一种具有高能量密度的超常电弧放电模式。在原钨极惰性气体保护焊（GTAW）条件下，提出以多电极并联聚束为特征、能增强电弧"自磁收缩"和气体"热电离"效应为主导机理的物理结构，建立提高气体的电离度、获得较高电子密度和电弧温度的放电环境，实现电弧能量密度的提高；同时探讨高能量密度电弧与高频能量的耦合效应及其焊接工艺特性。本项目研究结果对传统的焊接电弧的能量、焊接"控形"与"控性"的工艺性能两方面都将得到显著提升，为开拓电弧这一极为普适的工业热源的潜在能力提供理论与应用的基础。

提出了能增强电弧“自磁收缩”为主导机理的焊接电弧新型结构，实现了三种形式的高能量密度电弧模式：（1）电流频率为千赫兹级的能量耦合型复合脉冲电弧。其能量密度是传统同类电弧的2倍左右，能有效增强对熔池的搅拌、细化结晶和气体的逸出，在高强铝合金焊接的应用中，提高了焊接速度，降低了焊缝气孔率，改善了接头的综合性能；（2）通过限制电极端的导电面积和位置，使电弧强制收缩，其能量密度是传统同类电弧的4倍左右，电弧力随着电流的增大呈平方关系上升，使对接焊缝的“深宽比”和焊接速度均为传统电弧的3倍或以上。（3）三电极并联结构的聚束电弧，其能量密度是传统同类电弧的5倍或以上，电弧弧柱的电子密度达到了10E+18cm-3,产生了氩的二次电离（ArIII, 28.1 eV ），其能量密度等相关的热物理特性处于当前焊接电弧（包括其他工业电弧）的前沿和高端，在中厚板高强材料的焊接试验和应用中已取得初步成果。.本项目工作实现了对传统电弧能量密度的显著提升，探索了超常焊接电弧的物理性质和形成机理，提供了三种高能量密度结构的新型焊接电弧模式及其特征数据，提升了传统焊接电弧的“电、热、力”物理属性，提高了电弧能量分布与传递的可控性，并为实现新一代焊接电弧同时具备“控形”与“控性”的功能提供了工业应用的途径。