缆式焊丝气保焊电弧行为及熔滴过渡机理研究

发布时间：2018-10-26 19:46

【摘要】：熔化极气体保护焊(GMAW)是当前应用最广泛的焊接方法之一,其具有优质高效、生产成本低、自动化程度高等优点。为进一步提高传统单丝气保焊的熔敷效率,一种新型的GMAW焊接方法--缆式焊丝气保焊应运而生,其具有高效、节能、优质等优点,其设备简单、易实现焊接自动化,尤其适合船舶等大型厚板焊接。本文基于FLUENT对缆式焊丝气保焊电弧以及熔滴过渡行为进行了数值模拟,同时开展验证试验对焊接电弧及熔滴过渡进行高速摄像拍摄,验证了计算结果的准确性。本研究揭示了缆式焊丝气保焊的电弧产热产力机理、熔滴过渡动态过程以及焊接温度场的分布规律,对推广缆式焊丝气保焊奠定了重要的理论基础。根据缆式焊丝接触电阻的关系推导出中间丝占总电流的13%,外围丝占14.5%,其阳极区是由三类多极区耦合而成。根据流体动力学中的动量守恒、能量守恒、质量连续以及麦克斯韦方程组,建立了其电弧的三维数值模型。分别计算了400A-600A电流下的电流密度、温度场、速度场、压力以及电势的分布情况。结果表明:焊接电弧的电流密度、温度场、速度场、电弧压力以及电势均随着焊接电流的增大而增加。焊接电流每增大50A,其电弧最高温度提高约1280-1300K,最大等离子流速提升约37-50m/s。其电弧峰值压力均出现在阳极区处,阳极区比阴极区的压强高约65Pa-90Pa。结合实测数据,焊接过程中电弧阳极区会降压2-4V,阴极区降压约15V。计算了15-35L/min气流量下缆式焊丝气保焊电弧的温度场、速度场以及电弧压力的变化情况。气流量每增大10L/min,焊接电弧的等离子流速提升21%-29%,阳极区的最大压力约增大100Pa-122Pa,电弧压力在工件表面附近的峰值压力约增大50Pa-55Pa,其作用范围半径增大约1.7mm-2mm。结合计算与高速摄像试验结果发现,缆式焊丝阳极区由7个小阳极区共同构成,焊丝顶端电弧是多由个小弧耦合形成,随焊接电弧向工件运动,小弧直径膨胀,从而耦合成一个大电弧,大电弧作用于工件及熔池。通过本研究,获得了缆式焊丝气保焊电弧的物理特性,为后续研究及推广生产应用提供了理论基础。基于VOF法建立了缆式焊丝气保焊的三维熔滴过渡数值模型,阐述了熔滴模型的控制方程、熔滴受力以及模型求解。本文通过高速摄像试验验证与计算相结合的方法研究了400A-500A焊接电流下的熔滴过渡形式。结果表明,随着焊接参数的增大,缆式焊丝气体保护焊的熔滴尺寸减小,过渡频率显著增加。焊接电流每增大50A,其熔滴直径分别下降9%以及41%,相对应的计算结果分别下降11%以及43%,其过渡频率分别为32Hz、47Hz以及70Hz,相对应计算得出的过渡频率分别为40Hz、58Hz以及78Hz,熔滴过渡方式也由排斥过渡转变为颗粒过渡,继而向射滴过渡转变。对比计算与高速摄像试验结果,熔滴的尺寸与过渡频率吻合良好。利用热成像仪设备,对焊后工件表面温度分布进行了分析。结果表明,焊接电流电压的增大对焊后工件表面温度影响不大。但焊接电流每增大50A,其熔宽相应增加1.5mm、2.5mm以及3.0mm。随着焊后冷却时间的增加,工件表面温度在2.0-6.0s内下降趋势最快,在6.0-8.0s内下降幅度有所减缓。焊接速度的增加,会导致高温停留时间变短,热输入量减小,使得工件表面温度也随之下降。焊接速度的增大同时也会导致其熔宽显著减小。
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【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG444.72

【参考文献】