外层气体影响GPCA-TIG焊电弧和焊缝性能的研究

【摘要】至上世纪60年代活性TIG焊接方法被提出以来,活性焊接技术引起了世界范围内的关注。研究者先后提出了多种活性焊接方法,例如：A-TIG焊、FZ-TIG焊、FB-TIG焊、AA-TIG焊等,这些方法在一定程度上显著的增加了焊缝的熔深,但是由于操作工序的繁琐复杂,使其在实际生产中应用受阻,为了使活性焊接技术能够很好的服务于生产,课题组提出了一种高效环保,且便于自动化生产的活性焊接方法——GPCA-TIG焊,该方法顺利解决了以上方法在碳钢或铁合金焊接中遇到的复杂繁琐的工序问题,通过调节焊枪的耦合度,可以控制活性元素及调节元素的引入量,实现对成形和性能的控制。当外层气体中引入添加元素时会对电弧和焊缝性能产生很大的影响。本文针对GPCA-TIG焊外层气路中分别通入Ar、O2、N2及O2+N2混合气体时的焊接电弧和焊缝性能进行研究；为了保证研究电弧的稳定纯净,电弧阳极材料选用水冷紫铜块,进行定点采集,并同时采集相应的电弧电压和电弧形貌；在对其焊缝性能研究时选用工业生产中最常用的304不锈钢作为母材进行GPCA-TIG焊接。本文利用光谱分析法对GPCA-TIG焊电弧信息进行分析,由计算得到的电弧温度分布情况可知：GPCA-TIG焊外层气路中分别通入Ar、O2、N2单一气体及02+N2混合气体时,电弧中心区域等离子体温度相对于普通TIG电弧温度都有一定的上升,其中02与N2对电弧的作用较明显,而N2对电弧中心区域温度影响最大；GPCA-TIG焊耦合度由0变为+2时,外层气体对电弧的作用增强,电弧中心区等离子体温度升高,但是整体来看变化不是很大。其测量得到的电弧电压相对于传统TIG焊电弧电压都略有上升,O2与N2的引入相对于Ar而言对电弧的作用更明显；当耦合度由0变为+2时,其电弧电压随之升高,但电压的变化量不大,通过同位置采集得到的GPCA-TIG焊电弧形貌与普通TIG焊电弧形貌相比二者之间均没有明显的变化,这与电弧温度分布和电弧电压分析中变化不大的规律也是吻合的。于是对于GPCA-TIG焊而言,在进行不锈钢焊接时外层气体引入对电弧影响较小,电弧收缩不是焊缝熔深增加的主要机理。针对GPCA-TIG焊缝成形、焊缝中的氮氧元素含量、焊缝的冲击韧性和拉伸性能进行研究,结果表明：当外层气路中分别引入02单一气体和02+N2的混合气体时,GPCA-TIG焊焊缝成形良好,8mm厚不锈钢板能实现单面焊双面成形,焊缝熔宽较窄；外层引入Ar和N2时焊缝熔深与TIG焊相比有一定的增加,但是增加效果不是很明显,熔宽变化不大；当焊枪耦合度发生改变时,与其对应的焊缝的熔深与熔宽影响不大。当分别对GPCA-TIG焊缝中的氮氧元素含量进行测量,试验结果表明外层气体引入02、N2单一气体及N2+02混合气体时,焊缝中的氧元素含量远低于AA-TIG焊缝中的；当耦合度发生改变时,GPCA-TIG焊焊缝中的氮氧元素含量随之发生改变,调节焊枪内外喷嘴的相对位置,可以实现微量控制焊缝中进入的氮氧元素含量。由GPCA-TIG焊缝低温冲击韧性结果得知,外层气体分别引入O2、N2时,焊缝的低温冲击韧性低于传统的TIG焊接方法；氮氧联合过渡时其焊缝的低温冲击韧性高于母材7.5%,且明显高于传统TIG焊缝的性能；当耦合度改变时,由于焊缝中氮氧元素含量发生变化,焊缝的低温冲击韧性也随之发生改变,耦合度为0时焊缝性能略高于耦合为+2时。GPCA-TIG焊缝拉伸性能测试结果表明,外层气体分别引入02、N2及O2+N2混合时,焊缝的拉伸性能均略低于母材；氮氧元素联合过渡时焊缝拉伸性能优于TIG焊缝的,氮氧元素分别单独过渡时焊缝的拉伸性能低于TIG焊缝的。外层气体对GPCA-TIG焊电弧及焊缝性能有着重要的影响,通过对其进行研究增强人们对该法的深入认识,为该方法在工业生产中的应用提供基础性的理论依据,这对于GPCA-TIG焊实现全自动化、深熔深、高效率、低成本、高质量焊接,具有重要意义。
【作者】王艳磊；
【导师】黄勇；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】GPCA-TIG焊；氧元素；氮元素；外层气体；焊接电弧；光谱分析；焊缝性能；

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