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三电极TIG电弧物理特性及其高速焊接可行性研究
天津航天长征火箭制造有限公司(300462)李超宋建岭苏再为
北京工业大学机电学院(100124)宋永伦肖天骄
摘要钨极氩弧焊作为一种高品质焊接方法,焊接过程稳定,焊缝成形优良,但在大电流高速焊接情况下,容
易出现烧穿、驼峰等缺陷。为实现钨极弧焊的高速焊接,提出了三电极TG焊接方法,建立了三电极TG电弧物
理特性和工艺特性的研究试验系统,对其电弧形态、电弧电特性及工艺性进行了研究,并与常规单电极TG电弧进
行了对比分析。三电极TG电弧在同向平行电弧的自磁收缩作用下产生汇聚,电弧形貌近似于圆柱形,电弧电压
低于单电极TG电弧电压,在高速焊接时电弧非常稳定,焊缝成形优良,焊接效率比单电极TC提高2倍以上。
关键词:三电极TG电弧物理特性高速焊接
中图分类号:TG44
前言
钨极氩弧焊作为一种高品质的焊接方法被广泛应
步
同步
用于工业生产中,其焊接过程稳定,电弧易于控制,焊
线
水
缝成形良好,但不足之处是焊接效率较低。为满足高
效、高质量焊接的工业生产需求,提出了获取高能量密
度电弧的要求。试验证明,对于传统单电极结构产生
电流电压
步进电机
的TG电弧,仅通过增加功率输人的方式来提高焊接
传感器
效率难以实现,需要从改进电弧放电结构的方向进行
突破。文中提出了一种新的电弧放电结构,三电极TC
图1三电极TG电弧试验系统
放电结构由三根钨极平行并联放电,在电弧自磁收缩1.2三电极TIG电弧的放电结构
的作用下,两两电弧之间相互吸引,并建立出共同的导
电极并联机构形成的电弧,能有效使得平行排列
电通道。文中搭建了三电极TG电弧的焊接试验系电极之间的同向电流相互作用并达到电弧截面缩紧、电
统,并对该电弧的形态、电特性和焊接工艺性进行了研流密度增加的效果,同时导电通道内热电离作用的加强,
究
能够显著提髙电弧导电区域内的导电能力,试验所使用
的三电极TG放电结构如图2所示,钨极采用半圆柱形,
1试验设备与方法
直径4.8mm,钨极平面側向里,钨极间隙0~3mm可
1.1试验系统的建立
调,钨极磨成弧形尖端,尖端靠近平面侧。
试验系统主要由三电极TG焊枪和三台TG电源
组成,三台焊机分判对三个钨极供电,各电源之间存在
外气
逻辑控制以保证在脉冲或交流焊接过程中同步输出电
参数,三根钨极彼此绝缘,三根钨极产生的电弧在自磁
收缩作用下汇聚成一个电弧,有效地使电极端之间的
同向电流相互作用并达到电弧截面缩紧。电弧采用内
气和外气两层保护气保护,内气在三电极中间输出,外
气在三电极周围输出,试验系统如图1所示。
钨极
收稿日期:2014-11-19
图2三电极TICG放电结构
302015年第7期
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2三电极TIG电弧形貌特征
使用高速摄像机对三电极TG电弧进行视频采
集,分析其电弧形态,并与单电极TIG电弧进行对比,
三电极T1G每根钨极焊接电流为直流120A,单电极
TG电流为直流360A,电弧长度5mm。采集的电弧形
态如图3所示,其中图3a为三电极TG电弧形态,图
3b为单电极TIG电弧形态。
(e)三电极中单个电极100A
(f)三电极中单个电极120A
图4电弧形态
也随之扩张,单电极TG的单电弧对外扩张的趋势较
为明显,而随着电流的增加,三电极TG电弧的外扩现
象则变化不大,公共导电通路更趋于集中和稳定,且中
心的主导电通道呈现出随电流増大而增大的趋势,这
使得大电流时三电极电弧挺度更强,更适合于高速焊
(a)三电极TG电弧
(b)单电极TG电弧
接
图3电弧形态
从图3a中可以看到,三电极复合TG电弧产生了3三电极TIG电弧电特性
明显的收缩效应,在相同电流下,单电极TG电弧形态
电弧电压的变化情况可以直观的反映电弧的导电
呈普遍认知的钟罩型,横截面变化梯度较大,三电极能力,电弧电压(U)由阴极压降(Uム)、弧柱压降(U。)
TIG电弧则近似于圆柱形,电弧底部截面小于单电极和阳极压降(U)三部分构成,并满足关系式(1)
TG电弧,这种电弧形态作用于被焊工件上可减小焊缝
U。=A++。
的熔宽,在与单电极TG相同的热输入下使焊接能量
阴极压降和阳极压降的大小与焊接电流及电极
更加集中?。
材料的成分相关,在电压测试中,使用三电极TG其
图4反映了随焊接电流的升高,电弧的作用范围中一根钨极测试单电极压降,并与三根钨极全部点燃
时的压降进行比较分析,以排除电极材料的不同对测
试造成的影响。测试采用3mm,5mm,7mm三种不
同的弧长,分析三电极TIG电弧电压的变化情况。测
试数据和变化趋势如表1和图5所示,采用电流为直
流
表1同工艺参数下电弧电压
电极1电极2电极3弧长电弧电压
组别
电流/A电流/A电流AmmU。/V
(a)50A
(b)100A
100
0
0
10.842
100
100
8.909
0
12.980
100
11.328
0
13.824
100
100
13.018
测试结果显示,在相同电流、弧长以及测试环境的
(c)200A
(d)三电极中单个电极50A
情况下,三电极TG电弧电压低于单电极TG电弧电
2015年第7期31