高速GMAW驼峰形成及双丝焊抑制机理研究

发布时间：2017-08-25 13:08

  本文关键词：高速GMAW驼峰形成及双丝焊抑制机理研究

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【摘要】：熔化极气体保护焊(GMAW)因具有设备成本低、工艺简单,易于自动化等优点,被广泛应用于现代生产制造中。利用双丝GMAW可以抑制单丝GMAW高速焊接过程中产生的驼峰焊道等缺陷,从而实现低成本高效电弧焊接。近些年来,关于单丝GMAW驼峰焊道的形成机理、双丝GMAW熔池流动及焊缝成形的研究,已经取得了一定的进展,但仍有许多问题亟需解决,例如,高速GMAW和常速GMAW熔池流动方式的差异还没有得到系统地描述;表面张力、后向液体流对驼峰形成的影响还需要系统地研究;需要建立双丝GMAW的三维数值模型,研究熔池内液态金属的流动方式,阐述双丝GMAW抑制驼峰焊道形成的机理。本文基于流体力学理论建立了单丝常速GMAW、高速GMAW、双丝GMAW焊接熔池三维数值模型,模型考虑了熔池所受到的重力、电磁力、浮力、电弧压力、表面张力、以及熔滴的动态冲击作用,在能量边界条件中考虑了熔池的辐射、对流、以及蒸发作用。基于FLOW3D软件模拟研究获得了常速GMAW、高速GMAW、双丝GMAW焊接熔池的温度场、速度场等物理场,基于高速摄影系统观察了熔池形态。论文模拟结果发现,单丝常速、高速GMAW熔池流动模式存在本质区别,单丝常速GMAW熔池纵截面同时存在向内和向外两种流动方式,形成良好的焊缝,但随着焊接速度的提高,熔池纵截面仅存在向内单一流动方式,向外流动方式消失,形成了驼峰。模拟和实验结果表明,单丝高速焊接驼峰形成的机理是液态金属在熔池尾部堆积形成“隆起”,同时高速时液体通道的拉长、收缩、提前凝固,隔断了熔池前部与尾部的液态金属和能量的传递,形成了波峰和波谷不均匀的驼峰焊道。单丝高速焊时,熔池纵截面向内流动方式以及较大的表面张力,促进了“隆起”的产生和长大形成波峰。同时焊接速度增大时,熔池长度变长,表面张力的法向力容易促使焊接方向液体通道的拘束、收缩。论文模拟揭示了熔池表面张力、熔滴冲击力等因素对驼峰形成的影响规律,随表面张力、熔滴冲击力的增大,越容易形成驼峰焊道,同时通过保护气体中加入活性气体二氧化碳来降低表面张力,实验验证了活性气体保护有利于抑制出现驼峰焊道。论文研究了双丝GMAW温度场和速度场等物理场,阐述了双丝焊抑制驼峰形成的机理,两根丝之间的熔池存在电弧压力和液滴冲击力所引起的“推-拉”流动方式,以及表面张力所引起的向外流动方式。“推-拉”流动方式抑制了大量液态金属向熔池尾部流动,降低了后向液体流的动量,液态金属无法在熔池尾部堆积形成“隆起”。而向外流动方式使熔池内的液态金属向两边铺展开来,熔宽变大,熔池受到的表面张力法向分力相对均匀,焊缝稳定,未出现液体通道的收缩、提前凝固现象,抑制了驼峰的形成。
【关键词】：单丝常速GMAW 高速GMAW 双丝GMAW 双椭球热源 熔池流动 驼峰焊道 “推-拉”流动方式
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG444.72
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-28
• 1.1 研究背景及意义9-10
• 1.2 研究现状10-26
• 1.2.1 常速GMAW熔池流动的数值模拟10-11
• 1.2.2 高速GMAW焊接驼峰研究现状11-18
• 1.2.3 高速焊接工艺研究现状18-22
• 1.2.4 双丝GMAW研究现状及应用22-26
• 1.3 课题主要研究内容及方法26-28
• 第二章 实验平台和模拟软件28-39
• 2.1 实验平台搭建28-33
• 2.1.1 实验所用焊机29
• 2.1.2 普莱克斯焊枪29-30
• 2.1.3 保护气体供应系统30-31
• 2.1.4 高速摄影系统31-33
• 2.2 焊接材料33-34
• 2.3 FLOW3D软件34-37
• 2.3.1 FLOW3D软件的应用34-36
• 2.3.2 FLOW3D软件包的组成36-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 单丝常速GMAW熔池流动的数值模拟研究39-56
• 3.1 实验过程39-40
• 3.2 单丝常速GMAW熔池流动的数学模型和数值模拟40-50
• 3.2.1 单丝常速GMAW 3D笛卡尔坐标系下的控制方程40-49
• 3.2.2 边界条件49-50
• 3.2.3 数值计算50
• 3.3 结果和讨论50-54
• 3.3.1 单丝常速GMAW熔池的形成过程50-53
• 3.3.2 单丝常速GMAW熔池的稳定性53-54
• 3.4 本章小结54-56
• 第四章 单丝高速GMAW熔池流动的数值模拟研究56-69
• 4.1 实验过程56-57
• 4.2 单丝高速GMAW熔池流动的数学模型和数值模拟57-60
• 4.2.1 单丝高速GMAW熔池自由表面受到的电弧压力57-58
• 4.2.2 单丝高速GMAW热源模型的选择58-59
• 4.2.3 边界条件59-60
• 4.2.4 数值计算60
• 4.3 结果与讨论60-67
• 4.3.1 驼峰焊道的形成机理分析60-65
• 4.3.2 后向液体流在驼峰形成过程中的作用分析65-66
• 4.3.3 表面张力在驼峰形成过程中的作用分析66-67
• 4.4 本章小结67-69
• 第五章 双丝GMAW熔池流动的数值模拟研究69-81
• 5.1 实验过程69
• 5.2 双丝GMAW熔池流动的数学模型和数值模拟69-72
• 5.2.1 双丝GMAW熔池自由表面受到的电弧压力70
• 5.2.2 双丝GMAW熔池液态金属受到的体积力70-71
• 5.2.3 双丝GMAW热源模型的选择71-72
• 5.3 结果和讨论72-79
• 5.3.1双丝GMAW熔池流动的数值模拟与熔池观察分析72-74
• 5.3.2双丝GMAW抑制驼峰形成的机理分析74-79
• 5.4 本章小结79-81
• 第六章 结论81-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文88-90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 殷树言,徐鲁宁,丁京柱;熔化极气体保护焊的高效化研究[J];焊接技术;2000年S1期

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本文编号：736914