工业生产中对于中厚板的焊接主要采用开坡口的方式,但是传统TIG焊单道焊缝熔深较浅,能够焊透的钝边较小,打底焊效率低。为了提高开坡口焊接的效率,本课题采用GPCA-TIG焊接法对不锈钢打底焊过程进行了初步研究。通过焊接工艺试验,分析了特征工艺参数对焊缝成形和组织性能的影响规律,在此基础上研究了开坡口对电弧特性的影响,并结合焊缝金属氧含量分析了开坡口GPCA-TIG焊熔深变化的主要机理。这些研究将进一步推动GPCA-TIG焊的推广和应用。焊接工艺试验结果表明,焊接电流、活性气体流量、弧长、坡口形状、装配质量等因素均对焊缝成形有明显影响。对于90°V形坡口,当工艺参数为电流180A,焊速为50mm/min,氧气流量0.8L/min,氩气流量10L/min,弧长为2.5mm时,熔深明显增加,但增加量小于无坡口焊接。焊缝微观组织主要包括奥氏体和铁素体,与无坡口焊接时的焊缝组织基本一致,但坡口侧壁附近晶粒比较粗大。硬度分布与无坡口焊接类似,焊缝硬度高于母材。电弧特性测量结果表明:开坡口对于电弧形态、电弧电压,以及阳极板上的电流密度、电弧压力和温度分布都有明显影响。电弧在坡口内形成,侧壁对电弧的压缩作用会随着坡口角度、焊接电流、弧长等因素而改变,电弧会因此呈现不同的形态。坡口侧壁与电弧的距离小于坡口根部与电弧之间的距离,实际弧长较短,电弧电压较小。电流密度分布形式随坡口角度而变化,小角度(90°)坡口内电流密度呈双峰分布,大角度(120°)坡口内电流密度呈单峰分布。电弧压力服从高斯分布,压力峰值位于钨极正下方,焊接电流对电弧压力的影响随坡口角度的变化呈现出不同的规律。外层氧气流量对电流密度和电弧压力均无明显影响。温度分布与电流密度分布类似,小角度(90°)坡口的峰值温度在侧壁处,大角度(120°)坡口的峰值温度在坡口中心。结合电弧特性研究和氧含量测试结果,对开坡口GPCA-TIG焊中的熔深变化机理进行了分析,认为:开坡口GPCA-TIG焊中由于活性元素氧的引入,使得熔池表面张力温度系数由负变正,形成向内流动的Marangoni对流,熔深明显增加。但坡口的存在使得电弧阳极板上的电流密度峰值和温度峰值都向坡口侧壁转移,这使得熔池表面向内向下的Marangoni对流减弱,同时电弧中心的电磁力减弱也使得熔池中心由电磁力驱动的向下的环流减弱,这些都导致开坡口GPCA-TIG焊的熔深虽然明显增加,但增加程度小于无坡口焊接时。