TIG焊冷致阴极收缩效应的研究

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1、TIG焊冷致阴极收缩效应的研究Studyoncathodefocusingbehaviorinwater-cooledTIGtungstenelectrode学科专业:材料加工工程作者姓名:崔霜林指导教师:刘祖明讲师天津大学材料科学与工程学院二零一七年十二月摘要钨极氩弧焊（TIG）具有设备成本低、工艺灵活性好、焊缝质量高等优势，已广泛应用于工业生产中。但普通TIG焊单道焊的穿透深度一般不超过3mm，焊接中厚板时，需要开坡口，进行填丝多层多道焊。冷致阴极收缩效应被认为能够改善电弧性能，其基本原理是对钨极强冷却，压缩钨极尖端的阴极区，从而提高电弧根部的电流密度和电磁收缩力，达到压缩

2、电弧的目的。水冷钨极能否产生阴极收缩效应并对电弧特性产生影响，没有得到实验验证。测定冷致阴极收缩效应的规律对改进TIG焊枪具有重要的指导意义。本文主要工作内容为：（1）设计不同钨极冷却程度的焊枪（焊枪1：弱冷钨极；焊枪2：强冷钨极），开展对比试验。构建了以CMOS相机为核心的图像传感系统，观察不同焊接参数条件下阴极尖端高温区（HTCR：HighTemperatureCathodeRegion）尺寸的变化规律。发现相同焊接工艺参数条件下，焊枪1的HTCR尺寸均比焊枪2的大，说明冷致阴极收缩是有效的。（2）开展定点烧蚀实验，燃弧1.0s，测试焊接电流、钨极夹角、钨极材料对HTCR和

3、阳极烧蚀区尺寸的影响规律。焊接电流在100A~500A范围内，焊枪1和焊枪2的HTCR尺寸差值呈先增大后减小的趋势，在焊接电流为350A时，差值最大。钨极夹角分别为30˚、45˚和60˚时，HTCR高度最大差值和阳极熔化区直径最大差值逐渐减小，说明随钨极夹角逐渐增大，冷致阴极收缩的能力逐渐减弱。另外，钍钨的冷致阴极收缩的能力比铈钨大。阳极熔化区尺寸差值的变化规律与HTCR高度差的变化规律一致。（3）采用小孔法测量焊接过程中焊枪1和焊枪2在不同工艺参数条件下的电弧压力。电弧压力峰值和压力分布半径均随焊接电流的增加而增大，但焊枪2的增幅更大。钨极夹角分别为30˚、45˚和60˚时，

4、电弧中心压力逐渐增大。钨极夹角为45˚或采用钍钨作为电极时，电弧中心压力的增幅更大。使用焊枪1和焊枪2分别对4mm、6mm和8mm厚的304不锈钢板进行穿孔焊接，冷却钨极可降低穿孔阈值电流，扩大穿孔焊接工艺窗口。关键词：TIG，电弧阴极，电弧压力IABSTRACTTungsteninertgas(TIG)arcweldinghasbeenwidelyusedinindustrialproductionduetoitslowcost,goodflexibilityandhighweldsquality.IntraditionalTIGwelding,thepenetrationd

5、epthbysinglepassisnomorethan3mm.Whenapplyingitonmid-thickplates,multi-passweldingwithmechanicalgrooveandfillerwireisneeded.Ithasbeenconsideredthatthefocusedcathoderegionbywater-cooledthetungstenelectrodecouldimprovethearcproperties.Thebasictheoryisthecathoderegioncanbefocusedbyhighlycooledth

6、etungstenelectrode.Hence,thecurrentdensityandelectromagneticforceatthearcrootareincreased.Thus,thearcisconstricted.However,thetheorythatthecathoderegioncouldbefocusedbycoolingtheelectrode,then,furtherinfluencedonthearccharacteristicshavenotbeenexperimentallyverified.Studyoncathodefocusingbeh

7、aviorhasanimportantguidingsignificanceforimprovingtheTIGweldingtorch.Themaincontentsofthisworkareelaboratedasfollows:(1)Comparativeexperimentswereconductedbyusingtwoweldingtorcheswithdifferentwater-cooledlevelsoftungstenelectrodes(Torch1:less-coole