TIG焊电弧与熔池双向耦合作用下界面行为试验与机理研究

Three-dimensional morphology about the interactive free surface of welding pool is the key scientific issue to research the two-way interaction between a mutually coupled welding pool and arc.In this project, based on the three-dimensional morphology measurement of TIG welding pool interactive free surface by using laser reflection, the following scientific issues are going to be researched: (1)Aming to the influence of welding parameters and the steps of these parameters on evolution of welding pool interactive free surface,study on correlation between interactive free surface three-dimensional informatio of TIG welding pool, three-dimensional welding pool size and welding process；(2)Considering the interactive free surface of welding pool, based on the coupling model for the three-dimension dynamic welding pool and arc, the measured datas and simulations of interactive welding pool free surface will be contrasted and analysed，and the evolution of welding pool and the interactive free surface, the effects of the arc on welding pool and interactive free surface will be researched; (3)The behaviour of welding pool interactive free surface and the coupling features between arc and interactive free surface of A-TIG welding are going to be studied, and the decoupling model of welding pool and arc will be improved further.Through above studies, the datas about free surface and evolution for TIG welding pool will be provided, which have great value to research the welding pool and arc physics, and can provide technical support and theoretical basis for related weldinging method, optimization of welding parameters and control.

熔池自由表面的三维形貌信息是理解电弧与熔池双向耦合作用的关键科学问题，本项目在基于结构激光反射法的TIG熔池自由表面实时形貌三维测量方法的基础上，对以下科学问题开展研究：(1)通过对不同焊接参数及参数阶跃来研究熔池自由表面演化规律，分析TIG熔池自由表面三维信息与熔池三维尺寸等相关焊接过程量的映射关系；(2)在考虑溶池自由表面的情况下，建立三维动态电弧与熔池双向耦合作用的数学模型，将测量的熔池自由表面数据与数值模拟结果进行对比分析，研究熔池及其自由表面演化规律，电弧对熔池及熔池自由表面的作用机理；(3)研究A-TIG过程熔池自由表面行为及其与电弧耦合作用特点，完善电弧与熔池双向耦合作用模型。通过以上研究，为TIG焊熔池自由表面三维信息及演化机理提供直接数据，对丰富电弧物理、熔池行为等认识具有重要的价值，为相关焊接方法、工艺参数优化及焊接过程控制等提供技术支撑与理论依据。

在焊接过程中，熔池自由表面的三维形貌能反映电弧和熔池耦合作用，且电弧作用于工件表面的压力、熔池表面张力造成熔化金属自由表面凹凸变形，表面自由变形既改变了熔池内部的热量及质量传输，又影响到电弧形状以及电弧在工件表面的热流密度和电流密度分布，形成电弧熔池的双向耦合作用，因此熔池自由表面的研究是认识电弧与熔池相互耦合作用的关键点。.为克服TIG焊过程的强烈弧光干扰测量，建立了基于结构激光的熔池表面三维测量试验系统，研究发现在TIG焊焊接过程中熔池表面发生由凸面向凹面动态转变；并且熔池三维表面振荡服从贝塞尔方程的振荡模式。在此基础上，提出一种基于反射点更新的三维恢复算法进行熔池表面三维恢复，结果表明在相同参数下A-TIG焊表面比TIG焊表面更凸，并再现了TIG焊熔池三维表面的动态行为演化规律。同时开展了TIG焊熔池表面流动行为的研究，不锈钢的熔池表面液态金属从边缘逆时针旋转进入到熔池中心，普通碳钢的是从中心以不定向、不规则的运动轨迹流向熔池边缘，这表明不同的熔池流动性为取决于被焊材质的物理性质。.考虑自由表面的情况下，研究了TIG焊焊接过程在电弧压力与热的作用，熔池自由表面发生凹凸变形；当表面张力温度系数为负时，表面张力驱使熔池流体由中心流向周边；当表面张力温度系数为正时，熔池流体由周边流向中心；同时也分析了快速移动热力耦合作用下熔池表面凹凸形成的原因，在压力的作用下，熔池前部的熔融金属被推向熔池后部，在熔池前部形成凹陷区，后部形成凸起，由于较快的耦合热力移动速度使熔池后部的金属由于散热较快而率先凝固，凝固金属位于加热区域外围而使温度迅速降低，最终使凸起和下凹得以保留，从而形成了驼峰焊道缺陷。.建立了TIG焊电弧-熔池交互作用模型，求解得到了电弧-熔池体系的温度、速度、压力、电流密度、电磁力等，通过分析熔池作用力，发现马兰戈尼力很大程度上决定了熔池流动状态，热对流在熔池热传递中起主要作用；在考虑熔池蒸发对电弧的影响发现金属蒸汽改变了原纯Ar弧等离子体的热物理性质，从而改变了电弧等离子行为，在混合等离子体作用下，电弧出现了收缩。在此基础上，分析了双TIG焊钨极间距和弧长对电弧温度、等离子流速、电流密度和电弧压力等影响，在非对称承载电流，双TIG电弧出现明显的偏斜，温度、等离子流速、阳极表面电流密度、电弧压力等峰值偏向于大电流钨极一侧。