活性钨极惰性气体保护焊(A-TIG)是最近一种类型的等离子焊接,其特征在于使用非自耗电极和由有源元件制成的涂层焊剂。因其与TIG焊接有相似的高质量焊接引起了最先进行业的兴趣,但与TIG焊接相比,其穿透深度有所增加。通过数值模拟和实验研究了用于Q245R钢的不同氧化物涂层的使用。还研究了焊接强度对焊接的影响。目的是通过数值模拟发现这两个参数对Q245R碳钢焊接的重要性。在了解了有关A-TIG模拟的现有文献后,提出并开发了用于模拟的不同模型,本论文所选用的模型是热力学平衡假设。然后在分析仿真结果后,给出了所测试的不同参数的影响。接着完成了实验过程以及对这些实验结果的分析。然后通过不同纵横比的视觉差异简单地对不同焊接效果进行了比较。根据最终目标,可以使用两种不同的方法来模拟等离子体。如果目的是确定焊接后板内的应力或相变,采用第一种方法热机械和冶金方法(TMM)。这种方法可以与特定的软件一起使用,并将侧重于凝固效果。如果更倾向于确定熔池的形成以及等离子体和熔池之间的相互作用,使用第二种方法热流体流动方法(HFF)。对于HFF方法,热物理,等离子体物理,流体物理和电磁物理必须一起解决。HFF方法用于该数值模拟,并且可以使用不同的模型进行模拟。实际上存在不同模型可用于模拟A-TIG焊接。其中一个模型包括单独模拟板,通过计算方式在正常等离子体和板之间的边界处近似不同参数,所需的不同参数,压力、热通量和电流密度可以用高斯方法近似。所用不同的输入参数,例如强度、效率、效果半径和高斯参数。另一种方法是以实验方式获取这些数据。然后,可以通过计算流体动力学软件(CFD)简单地模拟板内焊接,以便了解焊池的行为或使用特定软件来确定焊接的机械效果。本文选用第二种方法,即LTE方法(局部热力学平衡),它假定等离子体内的电子和离子的动能在局部平衡时由于足够高的碰撞水平而产生。该方法在等离子体内确认为真实,但不在边界处时需要特殊处理。该假设允许简单地使用麦克斯韦方程来解决等离子体内电子的电导率。该方法的不便之处在于该方法给出的结果高度依赖于所选择的网格划分。最后一个模型是使用非LTE假设的模型,这个模型不考虑简化,需要在扩散中使离子和电子之间产生差异。该方法解决了边界处的问题,但计算起来更复杂,并且在边界处需要更多数据。这些数据大多数都是通过实验获得的,这使得从头开始工作几乎不可能,需要使用文献中的数据或通过实验来测量这些数值。另一个模型可以用作LTE或非LTE模型的扩展。该模型的特殊性在于模拟焊接过程中形成的金属蒸汽。实际上,在焊接过程中,焊接板会释放出一些金属烟雾。这些烟雾的比例非常低,但对等离子体的热物理性质影响很大,尤其是在焊缝的周围。该模型实际上正在研究中,因为最近的研究只能模拟2种元素对等离子体的影响。尽管这些变化不容忽视,但如果没有这种模型,模拟效果会很好。为了减少计算时间模拟,在2D中使用轴对称模型完成。模拟在静态下完成,简化计算,避免了移动电极的繁重计算。这种模型不能用于精确的焊接模拟,因为不能模拟焊盘沿板的熔化和凝固,但由于焊接速度不是研究的参数,因此模拟时间不会以定性的方式对所研究的参数产生影响,只有确切的结果才能与实验相比较。在模拟中,纵横比,焊道尺寸,热影响区(HAZ)的尺寸以及熔池和等离子体内的流速将引起重视。热影响区对应于未熔化但由于受热而导致微观结构变化的区域,该温度称为Ac1。该温度已经通过计算确定,以便根据焊接参数比较该过渡区域的尺寸变化。模拟的目的是找出不同参数对焊池形状的影响。为此,计算了2组模拟,第一组模拟了焊接电流对焊池形状的影响。为此,模拟了3种不同的焊接强度,130A,150A和200A。第二组实验通过改变焊池中的氧浓度,研究涂层对焊池形状的影响。这会影响表面张力梯度。制备了3个选择的涂层,一个只有表面相变浓度的一半,一个与表面相变浓度相同,一个是表面相变浓度的一倍半。模拟结果表明,焊接强度的增加使等离子体温度升高,导致的穿透深度加深,从而使熔池的热通量增加,而且由于焊池内的焦耳效应更高,因电流导致的焊池加热。但是这种穿透深度的增加损害热影响区域的尺寸而变得更宽。此处未模拟的其他效应猜想也会影响焊池的温度,例如由于涂层对等离子体的电离引起的电弧收缩以及产生高电流的熔池顶部的熔渣的影响。电流对焊池内的流体流动有轻微影响,但效果只是最大速度范围,这是由洛伦兹力引起的,但是对流体流动的方向没有影响。模拟还表明,通过Marangoni效应,氧化物的数量正在推动焊池中的流动方向,实际上,一定量的氧化物低于表面相变量(SPT),同时导致表面张力梯度为负,因此,在焊池中向外流动,而等于或大于SPT量的氧化物含量将导致向内流动,从而导致焊接深度的急剧增加。由于选择了稳定模拟的事实,未模拟在该模拟上的影响是焊接点前后之间的阻力差。然而,这种效应对焊池内的流动只有很小的影响。然而,熔池内的氧化物浓度对等离子体没有影响。因此,使氧化物浓度尽可能接近过量的SPT浓度是很重要,以便获得Marangoni效应的良好效果,但避免使用过多的涂层增加焊接成本和影响焊池的成分。对于强度,仍然需要通过不稳定的焊接进行更详细的模拟,以便能够评估穿透深度和焊接电流之间的关系,因为可以肯定的是,电流越高,穿透深度越深,然而由于焊接元件具有固定的尺寸,因此必须选择焊接电流以便达到完全穿透以获得较窄的热影响区域。第二次进行了不同的实验,表征了Q245R板的机械性能,该板焊接了由25%的二氧化硅,33.33%的二氧化钛,16.67%的氧化铬(III)和25%组成的助焊剂涂层。制作两个不同的样品,一个使用上述涂层通过A-TIG焊焊接,另一个样品通过TIG焊焊接。从每个样品中切取两个试样用于测试。拉伸测试是用于测试焊接板的机械强度,硬度测试用于测试焊缝的硬度,弯曲测试用于测试焊缝的稳定性和延展性,微观测试用于观察焊接引起的显微结构的变化以及化学成分测试。与基础金属相比,焊接接头的化学成分显示出焊接接头中碳浓度的降低,以及硅,锰和硫浓度的增加。这些变化可能与涂层助焊剂有关,如含硅的涂层焊剂,但也与焊珠的加热和冷却过程中元素的迁移有关。焊接接头内部的微观结构也通过焊接接头将铁素体和基体金属的珠光体结构转变为一对马氏体和珠光体结构。然而,微观结构的变化会影响机械性能,但拉伸试验,硬度试验和弯曲试验仍显示出高于GB713标准要求的性能,使Q245R碳钢焊接适合Q245R实际应用。实际上,拉伸试验表明,对于A-TIG焊接,拉伸应力高于542MPa,对于基础金属断裂的TIG焊接,拉伸应力为555MPa。破碎的拉伸样品的断口显示出脆性断裂,因为它存在于基底金属中,表明焊接内部的疲劳和失效模式与板中的相同。硬度测试显示焊接的硬度较低但略有下降。热影响区域的硬度降低,并且靠近母材再次增加。这种变化是由于微观结构的变化。第三次,根据焊接质量就不同涂层进行分析。结果表明,与其他氧化物相比,只有TiO2和SiO2具有良好的长宽比,可以在未来使用。虽然MgO,La2O3或Y2O3等氧化物的纵横比低于普通TIG焊接,但这可能是由于涂层量太少,或氧气含量过高导致内部产生2个不同相焊池,块状Fe液和块状Fe2O3液。在最后一部分中,对实验和模拟进行了定性比较。因为所有涂层的焊接参数都是固定的,我们可以确定纵横比的差异是由于焊缝内部氧化物浓度的差异而有效,但是不足以达到这种差异。另一个参数的影响是元素与氧气一起影响,例如钛或硅。