活性焊接的熔池行为研究

On the basis of much previous studies on A-TIG welding, it is found that the key factor why there is depth increase in A-TIG welding is to control the content of active elements in the molten pool, and to change the original dependencies of molten pool surface tension, which will change the fluid flow of molten pool. Considering the results above, a new method to precisely control the content of Oxygen in the weld is introduced, which is Laser Activating flux Welding method. With this method, if an optimal content of active elements could be found, the penetration would increase, the weldability would get enhanced, and also the properties of welding materials would not change. What' s more, further study is to be done on the content, the existence form of oxygen, and its relationship with the behavior of molten pool. The methods of theoretical analysis, numerical simulation and experimental validation are used to make clear the optimal content of oxygen in welding materials, to build an effective new activating flux welding method, to gain a clear idea on the mechanism of penetration increase, which would offer a theoretical direction for the application of active welding.

对A-TIG焊接进行的大量前期研究发现：活性焊接时控制熔池中的活性元素含量、改变熔池表面张力原有的依赖关系使得熔池流场发生改变是活性焊接时熔深增加的关键因素。基于以上研究结果提出了一种准确控制焊缝中氧含量的方法-激光辅助活性焊接法。 需要找到一个活性元素含量的平衡点，既可以增加焊接熔深，提高金属可焊性，又可以使焊接材料的性能不发生变化；并对活性元素氧含量及其存在形式与焊接熔池行为的关系进行深入研究。采用理论分析、数值模拟与实验验证相结合的方法，以期弄清焊接材料中最佳的氧含量作用范围，建立有效新型活性焊接法，彻底弄清活性焊接的熔深增加机理，为活性焊接的应用提供理论指导。

活性焊接法可以显著增加熔深，提高焊接效率。其主要活性元素为氧，为了弄清氧含量及氧存在形式对熔池行为的影响，揭示活性焊接熔深增加的机理，本项目采用激光预熔增氧，从而控制焊接过程中氧含量的方法，利用数值模拟与试验相结合，研究活性焊接熔池行为，确定氧含量的有效作用范围。.分别采用活性激光电弧复合焊接法、激光电弧复合活性焊接法和激光辅助TIG焊接法。模拟了不同氧含量时的熔池流动行为，采用示踪试验验证模拟结果，用高速摄影观察加氧前后熔池和电弧的变化；系统研究了焊缝成形、熔深和熔宽的变化，测试了焊接接头的性能。.结果表明：未激光预熔处理，焊缝中的氧含量约80ppm。激光预熔处理后，焊缝含氧量增加，且随着激光功率的增大而增加。模拟结果显示，当氧含量100ppm以下时，负的表面张力温度系数占主导地位，引起焊缝金属由熔池中心经过表面流向熔池边缘，形成的焊缝浅而宽。当氧含量超过100ppm时，熔池表面张力温度系数由负变正，熔池金属由边缘流向中心，在熔池表面中心相遇后改变流动方向，流向熔池底部，将热量带到熔池底部，加速熔深方向母材的熔化，形成深而窄的焊缝。上述结论与试验结果相吻合。当氧含量100ppm～200ppm时，随氧含量的升高，熔深迅速增加；氧含量超过200ppm后，熔深几乎不再变化。熔宽的变化与氧含量的关系与熔深的相反。与普通TIG焊相比，相同熔深时活性焊接所需焊接电流减小，得到的焊缝组织细小。接头抗拉强度可达母材的90%以上，且表面加氧后，对接头的耐蚀性能未产生不良影响。.无论是利用活性剂还是通过小功率激光预熔增氧，焊缝中的氧含量均为ppm级，以固溶形式存在。其对熔池行为的影响主要是改变了熔池表面张力温度系数，从而改变了熔池金属流动方向；加入活性剂后能观察到明显的电弧收缩。在活性焊接中，促进熔深增加氧含量的范围为100~200ppm；活性剂促进电弧收缩，也是熔深增加的重要原因。研究结果揭示了活性焊接熔深增加的机理，为该方法的高效性提供了理论依据，具有重要科学意义和应用价值。