不锈钢粉末熔池耦合活性TIG焊方法研究

发布时间：2019-03-04 20:01

【摘要】：结合GPCA-TIG焊和GTFA-TIG焊,提出了粉末熔池耦合活性TIG焊方法(PPCA-TIG),该方法是一种新型双层气体保护并输送活性剂粉末的活性TIG焊接方法。与以往活性TIG焊接方法相比,最大的不同点在于内层通氩气或其他惰性气体保护熔池和钨极,外层通过自动送粉装置将活性剂粉末送入保护气体,由保护气体将其引入电弧-熔池外层区域,然后与熔池的边缘低温区域耦合,可使得电弧收缩,熔池表面张力温度系数改变,显著增加熔深。该方法可通过选择合适的活性剂,实现不锈钢、铝镁等各种金属合金的焊接,又可避免活性剂粉末对钨极的污染。首先选用工业中常用的SUS304不锈钢作为焊接用试验板材,并选取了典型的氧化物、卤化物、氟化物和单质共7种试剂作为试验用活性剂。通过与传统TIG焊对比,研究了不同活性剂对奥氏体304不锈钢PPCA-TIG焊焊缝成形、电弧形态、组织以及钨极烧损的影响规律,结果发现:氧化物能使焊缝熔深增加到传统TIG焊的3倍以上,单质碲能使焊缝熔深增加到2.4倍左右,单质硅、卤化物和氟化物增加熔深效果较差;单质碲、硅和氧化物、卤化物、氟化物都能使电弧电压增大、电弧收缩,氧化物也使熔池马兰格尼对流发生了由外向内的改变;PPCA-TIG焊缝组织主要为奥氏体和铁素体,铁素体形态以骨架状为主;同时采用该方法,可有效避免活性剂粉末对钨极的污染。选用单组元活性剂中效果最好的SiO_2作为工艺性能试验用活性剂,分析焊接速度、电弧长度对焊缝表面成形的影响,并采用正交设计法,研究焊接电流、内外层气体流量、电机转速对焊缝熔深以及焊缝深宽比的影响规律,对试验结果进行优化,得到了采用SiO_2活性剂的PPCA-TIG焊最佳工艺参数,最后对其组织、性能进行了分析。试验结果表明:焊接电流对焊缝熔深有着非常重要的影响,但对焊缝深宽比几乎没有影响;外层气体流量对焊缝深宽比影响最大,对焊缝熔深影响较小,在试验范围内焊缝熔深与深宽比同步变化;内层气体流量对焊缝熔深影响比较大,但对焊缝深宽比影响比较小;而电机转速对焊缝熔深和深宽比的影响都比较小,属于次要因素;在最佳工艺参数下,PPCA-TIG焊可以不开坡口连续焊透8mm厚不锈钢钢板,在保证焊缝表面成形良好的前提下达到了单面焊双面成形的效果;PPCA-TIG焊焊缝表现出了良好的塑性变形能力和低温冲击韧性。针对SiO_2活性剂颗粒从电弧过渡至熔池金属的过程,利用静电探针粉末捕捉技术结合SEM/EDS分析得到了活性剂粉末经过电弧所发生的形态和成分变化,然后采用XRD、SEM、AES、EDS等方法分析了焊缝表面焊渣、表面氧化层和焊缝金属中的成分分布和相分布,最后利用热力学计算分析了活性剂与电弧、熔池金属的反应过程,建立了SiO_2活性剂从电弧到熔池金属的过渡模型,结果发现:SiO_2活性剂颗粒进入电弧后经过熔化、蒸发、碰撞结合后解离出了Si、O原子,其中Si、O原子以气态形式存在于电弧中;解离出的Si、O元素进入熔池后,在Cr、Mn、Si等合金元素的作用下,经过直接氧化、间接氧化以及最后冷却时的氧化反应共三个阶段形成了焊缝表面的氧化层;焊缝表面氧化层主要由大分子架状结构的SiO_2、密排六方结构的Cr2O3以及具有尖晶石结构的Fe3O4、Mn3O4和Fe Cr2O4氧化物组成,这与焊缝金属的晶体结构差异较大,使得焊缝与焊渣之间结合力较差、焊缝脱渣性良好;采用SiO_2活性剂的PPCA-TIG焊并不会使焊缝大量增氧、增硅。PPCA-TIG焊设备简单、可靠,不需要精密的粉末输送装置和气体配比装置,可以针对不同焊接板材灵活选用相应的活性剂,在外层气体中引入微量的活性剂粉末就可以成倍的增加熔深,并且焊缝力学性能良好,可实现自动化焊接。因此,PPCA-TIG焊在未来具有广阔的应用前景,本文所做工作,对促进该焊接方法的应用和研究具有重要的意义。
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【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG444.74

【参考文献】