超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状钨极电弧特性及熔池行为的调控机理研究

The project propose to change TIG arc characteristic with combined regulation of sheet tungsten electrode and insulating solid wall for controlling melt pool behavior in ultra narrow gap welding process. This method would be applied to improve weld appearance and weld quality. The following issues are going to be studied by means of experimental measurement and numerical simulation in this project: the coupling model for constricted sheet tungsten electrode arc with insulating solid wall and melt pool in ultra narrow gap welding process is established for unified analysis of TIG arc characteristic and melt pool behavior; on this basis, the thermal-mechanical coupled effect on melt pool surface caused by arc and the regulation mechanism of constricted sheet tungsten electrode arc characteristic with insulating solid wall could be realized; the effect among constricted sheet tungsten electrode arc characteristic with insulating solid wall, melt pool behavior in ultra narrow gap welding process, weld appearance, microstructure and properties of welded joint will be understood to determine the best match principle for welding parameters, and then the parameter control model could be built and optimized for ultra narrow gap welding of typical applications materials.

本项目提出采用绝缘固壁和片状钨极联合调控超窄间隙TIG电弧特性及其热-力耦合作用下熔池行为的新思路，改善超窄间隙焊缝成形并提高接头力学性能。在此基础上，通过试验测量和数值模拟的研究手段，对以下科学问题展开深入探讨：建立能够准确反映绝缘固壁约束片状钨极电弧特性对超窄间隙焊接熔池行为影响规律的数学模型，实现超窄间隙TIG电弧特性与熔池行为的统一分析，揭示绝缘固壁和片状钨极对超窄间隙TIG电弧的作用机理，以及约束电弧对超窄间隙焊接熔池行为的影响机制；研究超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状钨极电弧特性和熔池行为与焊缝成形、接头组织、力学性能的关系，确定焊接工艺参数的最佳匹配原则，建立并优化参数控制模型，实现典型应用试件的超窄间隙TIG焊接，为新型结构材料的连接提供一种高效精量化高品质焊接方法。

超窄间隙TIG焊接方法兼具TIG焊接方法和窄间隙焊接技术的优势，能够精确控制线能量，减小接头力学性能损失，在实现高效精量化高品质焊接方面具有广阔的应用前景。然而，超窄间隙坡口结构改变了电弧物理场分布，进一步使熔池表面的热-力耦合作用发生变化，极大的增加了获得可靠成形的难度。本项目针对这一问题，提出并建立了绝缘固壁约束片状钨极电弧超窄间隙焊接系统原型，通过绝缘固壁和片状钨极联合调控的方式改善超窄间隙中TIG电弧特性及熔池行为，并对其物理过程进行试验研究和理论分析。. 利用低扰动静电探针差动分析方法测定了超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状钨极电弧载流区饱和离子电流密度，并进一步计算得到温度分布；利用小孔静态法测量了超窄间隙阳极表面电弧压力分布。在此基础上，对比分析试验结果和模拟结果，建立了可靠的超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状钨极电弧-熔池耦合数学模型。采用满足求解域的偏微分方程组和合理边界条件，求解绝缘固壁约束程度、焊接电流及弧长等工艺参数影响下的超窄间隙焊接过程绝缘固壁约束片状钨极电弧-熔池耦合温度场、流场、电场及电流密度。通过分析电弧-熔池耦合物理场分布特征，明确多工艺参数作用下绝缘固壁约束片状钨极电弧特性，以及约束电弧热-力耦合作用下熔池流动的变化规律和调控机理。与此同时，利用模拟熔池形态和焊缝形貌的对比分析，掌握焊缝成形的控制机制。

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