鎢極-熔化極間接電弧焊電弧行為及其特點(diǎn)研究.pdf

1、在傳統(tǒng)電弧焊中，電弧的兩極為焊槍與工件，由于直接接受電弧熱，工件的熱輸入難以控制，稀釋率過(guò)大。在某些要求焊縫熔敷率高且母材熔化量低的情況下，由于不能滿足焊接要求，使得電弧焊的應(yīng)用在一定程度上受到限制。如在航空、航天領(lǐng)域及兵器制造業(yè)，為改善鋼材的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和表面硬度，通常需要在鋼基體表面熔覆銅合金。為防止鐵銅互熔引起偏析，要求在保證高焊縫熔敷率的情況下，減少基體的熔化，形成低稀釋率的堆焊接頭。
　　本研究提出了鎢極-熔化極間接電

2、弧焊方法，期待解決上述問題。該方法使用單電源，電源不接工件，而是使兩電極分別接熔化極焊槍和鎢極焊槍，兩焊槍之間成一定角度，電弧在焊絲端頭與鎢極之間燃燒，間接電弧熱主要用于焊絲熔化，不產(chǎn)生熔池，間接電弧力主要用于熔滴過(guò)渡，使焊絲熔化后形成熔滴過(guò)渡到工件，實(shí)施焊接。該方法能夠解決在高焊縫熔敷率情況下，最大限度降低工件母材熱輸入的問題。通過(guò)構(gòu)建鎢極-熔化極間接電弧焊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了間接電弧穩(wěn)定燃燒，熔滴持續(xù)過(guò)渡。為進(jìn)一步研究間接電弧焊電弧行為和實(shí)

3、際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　以銅焊絲為例，采用高速攝像技術(shù)對(duì)間接電弧焊的熔滴過(guò)渡行為及電弧形態(tài)進(jìn)行了觀察，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行了采集。通過(guò)在鋼表面堆焊銅合金的工藝試驗(yàn)，對(duì)堆焊接頭的宏觀形貌和微觀組織進(jìn)行了觀察和分析。計(jì)算了熔滴的飛行速度和對(duì)工件表面的沖擊力。采用紅外測(cè)溫儀對(duì)熔滴的溫度進(jìn)行了測(cè)量并計(jì)算了熔滴的熱焓量。
　　結(jié)果表明：采用平外特性電源和陡降特性電源實(shí)施該方法，均能實(shí)現(xiàn)熔滴的持續(xù)過(guò)渡。采用平特性電源時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率隨送絲速度

4、的增加而增加；焊接電壓在16-20V時(shí)熔滴過(guò)渡頻率及指向性都較高。采用陡降特性電源時(shí)，隨送絲速度的增加，焊絲端頭平衡位置從鎢極端頭的側(cè)下方、正側(cè)方向側(cè)上方轉(zhuǎn)變。隨焊接電流的增加，熔滴的過(guò)渡頻率也增加。當(dāng)焊接電流大于140A時(shí)，熔滴過(guò)渡從大滴轉(zhuǎn)變?yōu)樯涞芜^(guò)渡。采用上述兩種外特性電源，熔滴脫離焊絲前，間接電弧已從熔滴側(cè)面爬升至熔滴與焊絲的界面處，降低了熔滴脫離焊絲時(shí)電弧的波動(dòng)。
　　電弧形態(tài)總體呈倒三角形，不同外特性電源、不同參數(shù)對(duì)電弧

5、形態(tài)變化的影響規(guī)律也不同。當(dāng)焊絲端頭處于鎢極的側(cè)上方時(shí)，電弧形態(tài)為 Y形；當(dāng)焊絲端頭處于鎢極的正側(cè)方時(shí)，為心形；當(dāng)焊絲端頭處于鎢極的側(cè)下方時(shí)，為筆尖形。焊接電壓和電流的周期性波動(dòng)引起了電弧形態(tài)的周期性變化，采用平特性電源的電弧形態(tài)波動(dòng)較大，陡降特性電源的電弧形態(tài)波動(dòng)較小。
　　間接電弧由陰極區(qū)、陽(yáng)極區(qū)和弧柱區(qū)組成，其中弧柱區(qū)的導(dǎo)電部分為弧芯區(qū)，不導(dǎo)電部分為弧焰區(qū)。電弧靠近熔化極一側(cè)的部分為熔化極電弧區(qū)，靠近鎢極一側(cè)的部分為非熔化極

6、電弧區(qū)，兩區(qū)聚集產(chǎn)生倒三角電弧形態(tài)，此時(shí)電弧較亮，有利于焊絲的快速熔化。倒三角形電弧形態(tài)是磁場(chǎng)作用、陰極焰和陽(yáng)極焰相互對(duì)沖共同作用產(chǎn)生的。間接電弧能夠穩(wěn)定燃燒是由于鎢極的加入和電弧自身調(diào)節(jié)的綜合作用的結(jié)果。當(dāng)采用銅焊絲時(shí)，因電弧自身固有調(diào)節(jié)作用明顯，使得采用陡降特性電源時(shí)電弧更加穩(wěn)定。
　　結(jié)合熔滴過(guò)渡行為和電弧形態(tài)分析熔滴受力情況及其過(guò)渡機(jī)制。熔滴受到重力、表面張力、電磁力、等離子流力和電弧力的綜合作用。其中，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電極排布方

7、式中，電弧在熔滴側(cè)面，很容易爬升到焊絲上，熔滴內(nèi)部電磁收縮力主要集中作用于熔滴與焊絲相連的根部；熔滴長(zhǎng)大過(guò)程中，焊絲端頭從鎢極的側(cè)上方伸到鎢極的正側(cè)方，電弧力充當(dāng)動(dòng)力的成分增加，并對(duì)熔滴根部產(chǎn)生擠壓作用，降低了表面張力，從而能夠使熔滴順利過(guò)渡。
　　熔滴的飛行速度與電流密切相關(guān)，當(dāng)焊接電流大于140A時(shí)，熔滴脫離焊絲后的飛行速度明顯提高。隨焊接電流的增大，沖擊力先增大后減小，最后保持平穩(wěn)。隨焊接電流的增大，熔滴溫度逐漸下降，達(dá)到1