不锈钢气体熔池耦合活性TIG焊熔池表面氮、氧元素过渡行为研究

【摘要】气体熔池耦合活性TIG焊是一种新型双层气体保护活性TIG焊方法,其特殊性在于内层采用惰性气体为保护气体,保护熔池和钨极,外层采用活性气体或氮气或活性气体与氮气的混合气体为保护气体,将活性元素和N元素引入熔池,显著增加焊接熔深,改善焊缝性能,并可通过调节耦合度,细微控制焊缝成形和性能。本文通过骤冷法获取保留高温熔池内N、O元素的分布规律与存在形式,采用AES、氮氧分析、XPS、EDS等分析方法分析N、O元素在熔池内的存在形式与分布规律,然后根据氮氧元素单独过渡时熔池内N、O元素的存在形式与分布规律研究氮氧元素单独过渡行为,最后根据氮氧元素联合过渡时熔池内氮氧元素的分布规律及存在形式,结合氮氧元素的单独过渡行为,研究氮氧元素在熔池表面的联合过渡行为。针对以氧气为外层保护气体的GPCA-TIG焊,利用AES分析了O元素在熔池内的分布,发现熔池表面存在一个富氧层,O元素主要在熔池前部进入熔池,中部和后部以O元素的吸附为主,耦合度发生变化时熔池内O元素的分布也会发生变化。利用氮氧分析仪对熔池内部O含量进行测量,发现耦合度为+2时熔池内的O含量高于耦合度为0时熔池内的O含量。利用XPS分析了熔池表面O元素的存在形式,熔池表面O元素主要以各种氧化物的形式存在。通过EDS对焊缝截面进行了分析,在焊缝氧化层及焊缝氧化层附近O元素同样是以各种氧化物的形式存在。结合O元素在熔池中的存在形式与分布规律研究了氧元素在熔池表面的过渡行为,O元素在熔池表面的过渡过程可以简化为直接氧化和间接氧化两个过程。针对以氮气为外层保护气体的GPCA-TIG焊,利用AES分析熔池内N元素的分布规律,发现N元素在熔池内整体上呈现均匀分布,熔池低温区域吸附更多的N元素。利用氮氧分析仪对熔池内N元素的含量进行测定,当耦合度发生变化时熔池内N元素含量变化不大。通过XPS分析了熔池表面N元素的存在形式,熔池表面N元素主要以原子形式存在。利用EDS对焊缝中N元素进行分析,N元素含量均低于0.1%,认为都是原子N的形式存在于焊缝之中。结合熔池中N元素的存在形式和分布规律研究了N元素在熔池表面的过渡行为,N元素在熔池表面主要是原子N的形式进入熔池。针对以氮气和氧气的混合气体为保护气体的GPCA-TIG焊,利用AES分析N、O元素在熔池不同区域内的分布,结果发现熔池表面富氧层厚度较小,熔池内的N元素在整体上呈现均匀分布。利用氮氧分析仪对熔池内N、O元素含量进行了测定,发现耦合度为+2时熔池内N含量较高但氧含量较低,耦合度为0时正好相反。利用XPS分析了熔池表面N、O元素的存在形式,发现氧元素主要以各种氧化物的形式存在,而N元素主要以原子形式存在。通过对焊缝的EDS发现,焊缝中O元素主要是以氧化物形式存在,N元素主要以原子形式存在。根据熔池中N、O元素的存在形式和分布规律,结合氮氧元素单独过渡行为,研究氮氧元素在熔池表面的联合过渡行为,氮氧元素在熔池表面的过渡过程可以简化为进入和析出两个过程。N、O联合过渡是一个相互影响的过程,熔池前部的氧化物阻碍N元素的吸附,熔池后部的氧化物阻碍N元素的析出；N元素在熔池表面的吸附减少了O元素在熔池表面的吸附。本论文针对不锈钢GPCA-TIG焊时O元素或N元素在熔池表面及其内部分布规律和存在形式的分析,对于搞清楚氮氧元素在熔池表面的单独和联合过渡行为,控制GPCA-TIG焊接过程中焊缝成形和焊缝质量,推动该焊接方法的发展具有重要意义。
【作者】张治国；
【导师】黄勇；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】气体熔池耦合活性TIG焊；氧元素；氮元素；分布；存在形式；单独过渡；联合过渡；

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