雙鎢極-ig電弧的物理特性

雙鎢極-ig電弧的物理特性

0提高電弧焊接效率圓弧焊接是一種應(yīng)用廣泛的高質(zhì)量焊接方法。但是,該方法的一個顯著的缺點(diǎn)就是熱輸入量小,熔敷效率低,焊接速度慢,成為制約其在高效焊接生產(chǎn)中應(yīng)用的主要因素。而依靠提高電流來增大熱輸入以增加熔敷率的方法又會導(dǎo)致電弧壓力的大幅度提高,容易出現(xiàn)咬邊、熔穿等缺陷,應(yīng)用起來很受限制。因此,在保留它原有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提高其焊接效率成為亟待解決的問題。目前,有一些途徑可以提高TIG焊接的熔敷率,例如活性化TIG焊和雙面焊等。日本的焊接工作者近年提出了雙鎢極氬弧焊方法(T-TIG),并在大型厚壁的罐體焊接中取得了很好的焊接效果。該方法通過設(shè)置在同一焊槍中的兩個相互獨(dú)立的鎢極聯(lián)合產(chǎn)生的耦合電弧進(jìn)行焊接。該電弧能夠在大電流下保持小的電弧壓力,可以避免在增加熔敷率的同時,過大的電弧壓力所導(dǎo)致的熔穿和咬邊等缺陷出現(xiàn)。目前,對雙鎢極耦合電弧壓力的研究還很少,多數(shù)相關(guān)文獻(xiàn)也僅限于單鎢極電弧壓力的研究。因而,有必要對這種焊接方法的電弧壓力進(jìn)行深入的分析。1試驗(yàn)測量儀器和試驗(yàn)裝置雙鎢極氬弧焊槍中設(shè)置兩個相互絕緣并具有各自導(dǎo)電通道的鎢極,耦合電弧就是由這兩個鎢極產(chǎn)生的電弧耦合而成的。采用通用的靜態(tài)小孔法對燃燒穩(wěn)定的直流雙鎢極氬弧焊的電弧壓力分布進(jìn)行測量,焊接電源采用兩臺型號均為WS-400直流氬弧焊電源。試驗(yàn)裝置如圖1所示。測壓元件使用高分辨率的擴(kuò)散硅壓差傳感器,其響應(yīng)速度快,量程為0～2000Pa。自行研制的雙鎢極焊槍固定在三維坐標(biāo)儀上,坐標(biāo)儀最小刻度為0.001mm,可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)精確的二維移動。陽極采用水冷銅板,其上開有直徑為0.5mm的測量小孔,將作用于該點(diǎn)的電弧壓力通過導(dǎo)管傳至壓差傳感器,把壓力值轉(zhuǎn)換為電信號。最后,再由計(jì)算機(jī)將電信號還原為壓力值,并繪制壓力曲線。經(jīng)過標(biāo)定,該系統(tǒng)的分辨率可以達(dá)到1Pa。2通過分析co氧化壓的分布特性，闡明了結(jié)合軸壓力的分布性能2.1投影點(diǎn)軸線的中垂線為x、y軸測量對比傳統(tǒng)單弧與雙鎢極耦合電弧。采用的焊接參數(shù)均為弧長3mm,鎢極直徑3mm,錐角30°,電流200A(耦合電弧兩鎢極各為100A),耦合電弧的鎢極間距4mm。此后的測量如無特殊說明均采用相應(yīng)的焊接參數(shù)。設(shè)定在電弧壓力平面通過兩鎢極尖端投影點(diǎn)的直線為x軸,投影點(diǎn)連線的中垂線為y軸。圖2是雙鎢極耦合電弧的壓力分布,三條曲線分別代表耦合電弧壓力在x軸和y軸的分布以及100A電流下單弧的壓力分布。從圖中可見,耦合電弧的壓力在x方向和y方向的壓力分布是不同的,脫離了單弧相對于鎢極軸線的中心對稱的分布形式。其中,x方向壓力下降較y方向緩慢,在距離原點(diǎn)±1.5mm范圍內(nèi)呈現(xiàn)特殊的“平臺狀”分布。而y方向壓力下降迅速,分布曲線與單弧100A基本吻合。此外,可以認(rèn)為在這樣的焊接參數(shù)下,雙鎢極結(jié)構(gòu)對耦合電弧壓力在y軸的分布影響很小,其變化主要體現(xiàn)在x方向。因此,下面的壓力測量將針對x方向展開。圖3為單鎢極在200A電流下的壓力分布,比較兩圖,耦合電弧不但在壓力分布形態(tài)上不同于單弧的雙面指數(shù)分布,而且在相同電流下的電弧峰值壓力也較單弧出現(xiàn)明顯降低,僅相當(dāng)于后者的1/5。這是雙鎢極電弧重要的物理特性。2.2耦合電弧形態(tài)的對比耦合電弧壓力分布產(chǎn)生的這種變化與其成因密切相關(guān)。電弧從陰極到陽極工件的不同高度處的截面積變化造成了電流密度的差異,由此產(chǎn)生自上而下的壓力差,這種壓差不斷推動等離子氣流對陽極產(chǎn)生了持續(xù)的壓力即電弧壓力。圖4為相同曝光量下單弧和耦合電弧的正面和側(cè)面形態(tài)比較。其中耦合電弧的鎢極間距為2mm。在圖中,耦合電弧的側(cè)面形態(tài)與單弧形態(tài)非常相近,可以認(rèn)為符合單弧的鐘形分布。但正面形態(tài)與單弧相差較大,在鎢極附近電弧的截面積明顯增大,由此可推知此處的電流密度必然減小。造成了弧體軸向的電磁收縮力差值即軸向壓力差減小,其驅(qū)動等離子體氣流對陽極的沖擊力也必然隨之降低,因此造成了電弧壓力的減小。3雙醇結(jié)合磁體氧化壓的影響因素3.1耦合電弧與單弧的電流變化圖5和圖6分別為單鎢極和雙鎢極的電弧壓力隨焊接電流變化的分布。對于耦合電弧,電流值為兩個鎢極通過電流的合值。從圖中可以看出,雙鎢極耦合電弧的壓力峰值與單弧一樣都隨著電流的增加而增大。但是,其分布形態(tài)隨著電流的增加卻發(fā)生了明顯的變化。在圖6中,電流的增加使電弧壓力的峰值區(qū)域分布逐漸由“平臺狀”向“尖頂狀”過渡。同時,分析兩個電弧壓力曲線的最大值,可以發(fā)現(xiàn)耦合電弧和單弧在100A,200A和300A的電流下的峰值比值分別為0.32,0.22和0.18。比值逐漸減小說明,隨著電流的增加,耦合電弧對電弧壓力的抑制作用越強(qiáng)烈。造成以上現(xiàn)象的原因是電流的增加導(dǎo)致電流密度增大,使電弧壓力整體上增大。同時根據(jù)電磁學(xué)原理,電流密度的增大會導(dǎo)致由兩個鎢極產(chǎn)生的兩個電弧之間的引力增大,它們之間吸引程度增強(qiáng)。因而,耦合電弧中心處的電流密度相對于兩邊的會更大,造成了電弧壓力從“平臺狀”向“尖頂狀”的變化。而且,單弧的電流密度隨著焊接電流的增加迅速增大;但對于耦合電弧,鎢極間距的存在使得電流密度增大的幅度沒有單弧的大。隨著電流的增加,這種差距就越明顯。所以造成了電弧壓力的相對降低。這個特性使耦合電弧可以承載比單弧大得多的電流而不會產(chǎn)生過大的電弧壓力。在增加了TIG焊的熔敷率的同時,避免了過大電弧壓力所造成的缺陷。3.2過弧區(qū)域內(nèi)電弧壓力值變化圖7和圖8分別示出單弧和耦合電弧在2～5mm不同的電弧弧長下的壓力分布。圖中示出雙鎢極耦合電弧的壓力分布趨勢與單弧不同。隨著電弧弧長的增加,耦合電弧的壓力峰值呈現(xiàn)增大的趨勢。在距中心1.25～3mm的區(qū)域內(nèi)電弧壓力值才像單弧一樣隨弧長的增加而減小?？偟膩砜?耦合電弧的壓力隨弧長的增加而增大,分布逐漸從“平臺狀”趨于“尖頂狀”。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是隨著弧長的增加,兩個鎢極各自產(chǎn)生的電弧體末端的吸引程度增強(qiáng),造成了耦合電弧中心處電流密度的增加,從而使此處電弧壓力增大,造成了分布趨向“尖頂狀”。同時中心處電流的增大,使得偏離中心區(qū)域的電流密度減小,此處的電弧壓力也就隨之減小了。該測量限于弧長5mm以下,如果在電弧穩(wěn)定燃燒的情況下,弧長繼續(xù)增加,則在陽極附近,電弧體的橫截面積的增大最終會抵消因吸引程度的增強(qiáng)所導(dǎo)致的電流密度增大。即隨著弧長繼續(xù)增加,峰值壓力將會增大到某個臨界值時發(fā)生減小。3.3條件不同間距下耦合電弧壓力峰值的變化圖9示出了在不同的鎢極間距下,雙鎢極耦合電弧壓力的分布情況。隨著間距的減小,耦合電弧壓力的峰值逐漸變大,壓力分布逐漸由“平臺狀”向“尖頂狀”過渡。這是因?yàn)?間距的減小使兩個鎢極各自產(chǎn)生的電弧吸引程度增強(qiáng),造成了耦合電弧的中心處的電流密度增大,導(dǎo)致了中心處壓力峰值的絕對增大。同時,這種變化也使電弧偏離中心區(qū)域的電流密度相對減小,從而引起了壓力分布形態(tài)的改變。另外還可以得到,在相同的電流下,不同鎢極間距會導(dǎo)致耦合電弧壓力峰值的變化。在2mm的間距下峰值比5mm間距時增大了1倍多。因此,在實(shí)際的焊接操作中,可以根據(jù)不同的應(yīng)用調(diào)節(jié)鎢極間距,以適應(yīng)不同情況下的焊接需要。3.4偏符合極形狀的耦合雙鎢極TIG焊接使用形狀完全對稱的兩個鎢極。圖10示出了兩種不同形狀的鎢極。當(dāng)需要的鎢極間距d小于鎢極直徑D時,普通的鎢極滿足不了要求,這時使用偏鎢極。鎢極形狀的改變會對電弧壓力的分布產(chǎn)生影響。圖11示出了分別使用普通鎢極和偏鎢極時耦合電弧壓力的分布情況。由圖中可見,使用偏鎢極時電弧壓力分布較使用普通鎢極集中,壓力在峰值區(qū)增大,在偏離中心處減小。由此可以推斷,偏鎢極對電弧電流的導(dǎo)向作用使得耦合電弧中心處的電流密度增大,而其它部分的電流密度減小,造成了電弧壓力分布的改變。圖9中的壓力分布使用的就是這樣的偏鎢極。4雙耦合電弧的壓力(1)雙鎢極氬弧焊耦合電弧的壓力分布脫離了單鎢極電弧相對于鎢極軸線的中心對稱分布形式在兩個鎢極排列方向上壓力分布與垂直于這