7A52铝合金VPPA-MIG复合焊接数值模拟及试验研究
发布时间：2021-03-29 21:31
变极性等离子弧（Variable polarity plasma arc,VPPA）-MIG复合焊接是针对厚板铝合金材料的一种优质、高效、深熔的焊接技术,该工艺结合了VPPA焊接的高能量密度、强穿透能力以及清理氧化膜作用和MIG焊接的高效率以及易于填充金属的双重优点,同时又弥补了MIG焊接熔深浅、VPPA仅能立焊成形等不足,具有广阔的工业应用前景。目前,对该复合焊接的研究主要集中在工艺方面,而对其物理现象数值模拟的研究未见报道。并且,复合焊接参数多,物理过程复杂,仅通过试验指导焊接工艺不利于推广和应用。本文利用数值模拟技术,通过开发合适的有限元计算模型,进行了铝合金VPPA-MIG复合焊接温度场和应力场的分析。这将有助于复合焊接工艺机理研究以及焊接参数和焊接结构的优化,具有重要的研究意义和应用价值。本研究以中厚板7A52铝合金为研究对象,采用激光导热仪（LAF）和差示扫描量热仪（DSC）测量并分析了7A52铝合金材料的热物理性能,建立了考虑7A52铝合金相变的材料热物理性能参数数据库。针对铝合金VPPA-MIG复合焊接开发了适用的组合式体积热源模型。根据VPPA在不同极性阶段的热源特性...
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
同轴式Plasma-M
第一章绪论3同轴式复合焊工艺包括偏置钨极式和同轴喷嘴式两种焊枪结构，分别如图1-1(a)和图1-1(b)。同轴式Plasma-MIG复合焊接的MIG焊丝被Plasma电弧包围，一定幅度的提高了焊丝熔化速率和熔滴过渡频率，减少了焊接飞溅。然而，如果MIG电流超过某一阈值时，复合焊的熔滴过渡形式将变为旋转射流过渡[33]。至今，同轴式Plasma-MIG复合焊接已经得到了广泛的研究：JelmoriniG等人[34]研究了Plasma-MIG复合焊焊丝熔化率与电流的关系。研究表明，复合焊接的焊丝熔化率高于MIG焊的焊丝熔化率。由于Plasma电弧中心具有极高的温度，MIG焊丝穿过等离子电弧，Plasma电弧对MIG焊丝具有预热的作用，致使焊丝的电阻率升高，大幅度提高了焊丝的电阻热，从而提高了MIG焊丝的熔敷效率。Ton[35]通过光谱分析研究了Plasma-MIG复合热源内外两层的电弧物理特性，如图1-2为复合电弧的温度分布，研究表明内弧和外弧的温度和成分具有一定的差异，内弧的温度低且具有少量的金属蒸气，通过光谱分析发现Plasma电弧的温度是MIG电弧的两倍。复合电弧最高温度能够达到13000K，并且部分MIG电流流入了等离子体电弧中。图1-2Plasma-MIG复合焊接电弧温度分布[35]Fig.1-2TemperaturedistributioninthePlasma-MIGhybridweldingarcOnoK等人[36]通过电弧形态以及电信号分析表明，由于Plasma电弧对MIG焊丝和熔池具有预热效应，优化了焊缝成形，降低了焊接飞溅或无明显飞溅。Hee-keunLee等人[37]研究了Plasma电流对Plasma-MIG复合焊缝表面缺陷的影响，研究结果发现，当Plasma电流超过200A时，将会产生不对称的焊缝并且出现黑色污点，如图1-3所示。与MIG焊对比发现，Plasma-MIG复合焊污点要少于单MIG焊。
内蒙古工业大学博士学位论文4图1-3Plasma-MIG复合焊焊缝表面以及横截面[37]Fig.1-3Beadsurfaceandtransversecross-sectionofPlasma-MIGhybridweldsEssers等人[38]通过量热计分别分析了Plasma-MIG复合焊接以及MIG焊接的电弧热效率。复合焊接电弧热效率为65%（±3%），MIG焊接电弧热效率为71%（±3%）。对于Plasma-MIG复合焊接，作为阳极的Plasma压缩喷嘴产生的部分热量被冷却系统所吸收，因此热效率相对减少。BaiYan等人[39,40]研究了熔滴过渡过程，表明Plasma电弧的引入优化了MIG熔滴的过渡频率和过渡形式，扩宽了焊接工艺区间。并且研究了焊接参数对复合焊焊缝气孔率的影响，通过方差分析得到了高质量、无气孔的焊接接头。然而，由于同轴式焊枪的结构原因，同轴式Plasma-MIG焊接工艺仍然存在一些不足。Resende等人[41]研究表明，同轴Plasma-MIG复合焊接热源与工件的接触面积大，导致热源对工件的加热面积大，产生的焊接熔池宽而浅，不利于产生大熔深的焊缝。Essers和Walter[42]研究发现，在大电流时焊丝尖端周围的电弧具有旋转的趋势，从而使熔滴转移到熔池时分布在一个较宽的区域。以上这些现象表明，同轴Plasma-MIG复合焊不适合于厚板的大热输入的焊接，只能在较低的Plasma电流的范围内工作。同轴Plasma-MIG复合焊接中MIG电源通常采用直流反接形式，为了避免两个电弧之间的相互影响不发生串弧现象，钨电极同样需要采用反接的形式。因此，由于钨电极为阳极将会被大量的电子撞击，致使钨电极产生大量热，从而产生钨极烧损现象，严重的制约了Plasma的工作电流。在连续焊接的过程中，为了防止钨电极烧损仅容许使用较小的电流进行焊接，很难完成厚板结构的焊接。同轴Plasma-MIG复合焊的MIG导电嘴置于Plasma电极碳环内部，MIG电弧包裹在Plasma?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Macro-micro dynamic behaviors and fracture modes of roll bonded 7A52/7A01/7B52 aluminum laminates in high velocity deformation[J]. Guochuan Zhu,Shuhui Huang,Xiwu Li,Zhihui Li,Youzhi Tong,Yongan Zhang,Baiqing Xiong. Progress in Natural Science:Materials International. 2018(04)
[2]基于焊缝熔深优化的7075铝合金等离子-MIG复合焊接热裂纹敏感性[J]. 邵盈恺,王玉玺,杨志斌,史春元. 金属学报. 2018(04)
[3]基于复合热源模型的Al-Mg-Zn铝合金脉冲MIG焊接模拟[J]. 张晓鸿,陈静青,陈辉. 焊接学报. 2018(01)
[4]熔焊热过程与熔池行为数值模拟的研究进展[J]. 武传松,孟祥萌,陈姬,秦国梁. 机械工程学报. 2018(02)
[5]多重热循环和约束条件对P92钢焊接残余应力的影响[J]. 邓德安,任森栋,李索,张彦斌. 金属学报. 2017(11)
[6]固态相变对10Ni5CrMoV钢焊接残余应力的影响[J]. 王苹,刘永,李大用,方洪渊. 焊接学报. 2017(05)
[7]变极性等离子弧焊电弧物理特性的数值模拟[J]. 陈树君,徐斌,蒋凡. 金属学报. 2017(05)
[8]穿孔型等离子弧焊接热-力耦合模型优化[J]. 胡庆贤,徐斌,王晓丽,付志伟. 焊接学报. 2017(01)
[9]铝合金VPPA-MIG复合焊接电弧形态及伏安特性[J]. 洪海涛,韩永全,童嘉晖,庞世刚. 焊接学报. 2016(09)
[10]固态相变对P92钢焊接接头残余应力的影响[J]. 邓德安,张彦斌,李索,童彦刚. 金属学报. 2016(04)
博士论文
[1]激光+GMAW-P复合热源焊焊缝成形的数值模拟[D]. 胥国祥.山东大学 2009
[2]高强可焊7A52铝合金板材热处理及其相关基础研究[D]. 黄继武.中南大学 2008
[3]穿孔等离子弧焊接温度场的有限元分析[D]. 胡庆贤.山东大学 2007
[4]等离子-MIG焊接方法及其双弧复合特性的研究[D]. 张义顺.沈阳工业大学 2006
硕士论文
[1]等离子-MIG复合焊熔滴过渡行为的数值模拟[D]. 范津铭.大连交通大学 2018
[2]AZ31B镁合金型材等离子-MIG复合焊工艺研究[D]. 刘正.西南交通大学 2016
[3]非热处理强化铝合金强度模型的研究[D]. 尤思航.哈尔滨工业大学 2015
[4]Q345B钢等离子-MAG复合焊工艺研究[D]. 孙彦文.西南交通大学 2015
[5]铝合金等离子-MIG复合焊工艺研究[D]. 魏波.西南交通大学 2014
本文编号：3108226
【文章来源】：内蒙古工业大学内蒙古自治区
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
同轴式Plasma-M
第一章绪论3同轴式复合焊工艺包括偏置钨极式和同轴喷嘴式两种焊枪结构，分别如图1-1(a)和图1-1(b)。同轴式Plasma-MIG复合焊接的MIG焊丝被Plasma电弧包围，一定幅度的提高了焊丝熔化速率和熔滴过渡频率，减少了焊接飞溅。然而，如果MIG电流超过某一阈值时，复合焊的熔滴过渡形式将变为旋转射流过渡[33]。至今，同轴式Plasma-MIG复合焊接已经得到了广泛的研究：JelmoriniG等人[34]研究了Plasma-MIG复合焊焊丝熔化率与电流的关系。研究表明，复合焊接的焊丝熔化率高于MIG焊的焊丝熔化率。由于Plasma电弧中心具有极高的温度，MIG焊丝穿过等离子电弧，Plasma电弧对MIG焊丝具有预热的作用，致使焊丝的电阻率升高，大幅度提高了焊丝的电阻热，从而提高了MIG焊丝的熔敷效率。Ton[35]通过光谱分析研究了Plasma-MIG复合热源内外两层的电弧物理特性，如图1-2为复合电弧的温度分布，研究表明内弧和外弧的温度和成分具有一定的差异，内弧的温度低且具有少量的金属蒸气，通过光谱分析发现Plasma电弧的温度是MIG电弧的两倍。复合电弧最高温度能够达到13000K，并且部分MIG电流流入了等离子体电弧中。图1-2Plasma-MIG复合焊接电弧温度分布[35]Fig.1-2TemperaturedistributioninthePlasma-MIGhybridweldingarcOnoK等人[36]通过电弧形态以及电信号分析表明，由于Plasma电弧对MIG焊丝和熔池具有预热效应，优化了焊缝成形，降低了焊接飞溅或无明显飞溅。Hee-keunLee等人[37]研究了Plasma电流对Plasma-MIG复合焊缝表面缺陷的影响，研究结果发现，当Plasma电流超过200A时，将会产生不对称的焊缝并且出现黑色污点，如图1-3所示。与MIG焊对比发现，Plasma-MIG复合焊污点要少于单MIG焊。
内蒙古工业大学博士学位论文4图1-3Plasma-MIG复合焊焊缝表面以及横截面[37]Fig.1-3Beadsurfaceandtransversecross-sectionofPlasma-MIGhybridweldsEssers等人[38]通过量热计分别分析了Plasma-MIG复合焊接以及MIG焊接的电弧热效率。复合焊接电弧热效率为65%（±3%），MIG焊接电弧热效率为71%（±3%）。对于Plasma-MIG复合焊接，作为阳极的Plasma压缩喷嘴产生的部分热量被冷却系统所吸收，因此热效率相对减少。BaiYan等人[39,40]研究了熔滴过渡过程，表明Plasma电弧的引入优化了MIG熔滴的过渡频率和过渡形式，扩宽了焊接工艺区间。并且研究了焊接参数对复合焊焊缝气孔率的影响，通过方差分析得到了高质量、无气孔的焊接接头。然而，由于同轴式焊枪的结构原因，同轴式Plasma-MIG焊接工艺仍然存在一些不足。Resende等人[41]研究表明，同轴Plasma-MIG复合焊接热源与工件的接触面积大，导致热源对工件的加热面积大，产生的焊接熔池宽而浅，不利于产生大熔深的焊缝。Essers和Walter[42]研究发现，在大电流时焊丝尖端周围的电弧具有旋转的趋势，从而使熔滴转移到熔池时分布在一个较宽的区域。以上这些现象表明，同轴Plasma-MIG复合焊不适合于厚板的大热输入的焊接，只能在较低的Plasma电流的范围内工作。同轴Plasma-MIG复合焊接中MIG电源通常采用直流反接形式，为了避免两个电弧之间的相互影响不发生串弧现象，钨电极同样需要采用反接的形式。因此，由于钨电极为阳极将会被大量的电子撞击，致使钨电极产生大量热，从而产生钨极烧损现象，严重的制约了Plasma的工作电流。在连续焊接的过程中，为了防止钨电极烧损仅容许使用较小的电流进行焊接，很难完成厚板结构的焊接。同轴Plasma-MIG复合焊的MIG导电嘴置于Plasma电极碳环内部，MIG电弧包裹在Plasma?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Macro-micro dynamic behaviors and fracture modes of roll bonded 7A52/7A01/7B52 aluminum laminates in high velocity deformation[J]. Guochuan Zhu,Shuhui Huang,Xiwu Li,Zhihui Li,Youzhi Tong,Yongan Zhang,Baiqing Xiong. Progress in Natural Science:Materials International. 2018(04)
[2]基于焊缝熔深优化的7075铝合金等离子-MIG复合焊接热裂纹敏感性[J]. 邵盈恺,王玉玺,杨志斌,史春元. 金属学报. 2018(04)
[3]基于复合热源模型的Al-Mg-Zn铝合金脉冲MIG焊接模拟[J]. 张晓鸿,陈静青,陈辉. 焊接学报. 2018(01)
[4]熔焊热过程与熔池行为数值模拟的研究进展[J]. 武传松,孟祥萌,陈姬,秦国梁. 机械工程学报. 2018(02)
[5]多重热循环和约束条件对P92钢焊接残余应力的影响[J]. 邓德安,任森栋,李索,张彦斌. 金属学报. 2017(11)
[6]固态相变对10Ni5CrMoV钢焊接残余应力的影响[J]. 王苹,刘永,李大用,方洪渊. 焊接学报. 2017(05)
[7]变极性等离子弧焊电弧物理特性的数值模拟[J]. 陈树君,徐斌,蒋凡. 金属学报. 2017(05)
[8]穿孔型等离子弧焊接热-力耦合模型优化[J]. 胡庆贤,徐斌,王晓丽,付志伟. 焊接学报. 2017(01)
[9]铝合金VPPA-MIG复合焊接电弧形态及伏安特性[J]. 洪海涛,韩永全,童嘉晖,庞世刚. 焊接学报. 2016(09)
[10]固态相变对P92钢焊接接头残余应力的影响[J]. 邓德安,张彦斌,李索,童彦刚. 金属学报. 2016(04)
博士论文
[1]激光+GMAW-P复合热源焊焊缝成形的数值模拟[D]. 胥国祥.山东大学 2009
[2]高强可焊7A52铝合金板材热处理及其相关基础研究[D]. 黄继武.中南大学 2008
[3]穿孔等离子弧焊接温度场的有限元分析[D]. 胡庆贤.山东大学 2007
[4]等离子-MIG焊接方法及其双弧复合特性的研究[D]. 张义顺.沈阳工业大学 2006
硕士论文
[1]等离子-MIG复合焊熔滴过渡行为的数值模拟[D]. 范津铭.大连交通大学 2018
[2]AZ31B镁合金型材等离子-MIG复合焊工艺研究[D]. 刘正.西南交通大学 2016
[3]非热处理强化铝合金强度模型的研究[D]. 尤思航.哈尔滨工业大学 2015
[4]Q345B钢等离子-MAG复合焊工艺研究[D]. 孙彦文.西南交通大学 2015
[5]铝合金等离子-MIG复合焊工艺研究[D]. 魏波.西南交通大学 2014
本文编号：3108226
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