磁控高效GMAW电
发布时间：2021-07-20 12:00
针对焊接生产中应用广泛的GMAW（Gas Metal Arc Welding）方法,增大焊接电流能够大幅提高其焊接效率,但是不稳定的熔滴旋转射流过渡阻碍了大电流GMAW在工业生产中的应用。为了改善大电流GMAW熔滴过渡行为,采用外加交变轴向磁场的方式引入外加电磁力,使其作用在焊接电弧和液流束上,提高电弧挺度并控制液流束旋转偏角,从而达到控制焊接飞溅和改善焊缝成形的目的。由于适用于GMAW的试验检测手段非常有限,直接测量熔滴和电弧中的电流密度、电磁力等关键参数非常困难,而这些参数对于研究大电流GMAW熔滴旋转射流过渡机理以及电弧-熔滴耦合行为至关重要。本课题将基于磁流体动力学的数值模拟方法与高速摄像试验手段相结合,对复杂的焊接物理过程进行适当简化,求解质量、动量、能量、金属蒸气组分输运方程,获得包括焊丝、熔滴和电弧在内的整个计算域中的温度场、流场、电场、压力场等结果,并在此基础上考虑外加磁场,研究了外加不同频率轴向磁场对大电流GMAW电弧和熔滴过渡行为的影响,为磁控高效GMAW工艺开发与应用提供理论基础。对传统GMAW焊机进行改造,改造后的送丝速度可达50m/min,达到常规送丝速度的2...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：160 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
T.I.M.E.焊工艺焊接过程高速摄像结果[16]
博士学位论文3生产中的应用非常受限。图1.1T.I.M.E.焊工艺焊接过程高速摄像结果[16]（2）磁控大电流GMAW工艺为了解决大电流单丝GMAW过程中熔滴过渡不稳定的问题，殷树言等提出了磁控大电流GMAW工艺[11,17]。这一焊接工艺在仅使用Ar气和CO2混合气体作为保护气体的情况下，借助外加直流轴向磁场，使得原本不稳定的旋转射流过渡受控达到稳定的旋转射流过渡过程，同时获得了成形良好的焊缝，送丝速度45m/min，焊接电压55V，干伸长35mm，80%Ar+20%CO2保护气体条件下，外加磁场前后的液流束和焊接电弧形态以及焊缝成形结果如图1.2所示。研究表明：外加直流轴向磁场能够使原先摆动和旋转混合的过渡形式变为稳定的旋转射流过渡，虽然直流轴向磁场能够使电弧收缩，与在保护气中添加He气使电弧收缩效果一样，但是对于液流束而言，直流轴向磁场与偏斜液流束中的径向电流作用产生的环向电磁力会加剧其旋转运动，同时产生的附加径向力方向是向外的，如图1.3所示。a)无磁场b)外加磁场图1.2外加直流轴向磁场控制大电流GMAW电弧形态和焊缝成形[17]
磁控高效GMAW电弧-熔滴耦合行为研究4图1.3外加直流轴向磁场后GMAW液流束受力示意图（3）其他大电流GMAW工艺大电流GMAW熔滴过渡不可避免会形成不稳定的旋转射流过渡，并且在钢材焊接过程中，会引入氧化性气体（例如CO2），用以提高液态金属的流动性和焊接效率。但是CO2的引入会恶化熔滴过渡环境，焊接飞溅增大。日本OTC（DAIHENcorporation）公司与日本大阪大学接合焊接研究所[18]在大电流潜弧熔化极CO2气体保护焊基础上，通过调整输出电压波形为200Hz，44±10V，单丝单道一次焊透19mm厚低碳钢钢板，并获得了成形较好的焊缝，与普通多层多道焊工艺的对比结果如图1.4所示。此外，还有研究表明，脉冲电流一定程度上也能起到改善大电流GMAW焊缝成型的作用[19]。图1.4大电流潜弧CO2气体保护焊工艺与传统多层多道焊接工艺对比[18]1.2.2双丝（多丝）焊接工艺双丝（多丝）焊接工艺由于增加了熔化焊丝，焊接效率成倍增加。值得一提的是，该工艺中每根焊丝均形成独立电弧，作用在母材表面的电弧压力分布更为均匀，使得该方法适用于薄板的高速焊接。最开始两路焊丝均是从一个导电嘴中送出[20]，无法单独调节各路焊接参数，后来发展为多电极焊接，每一路焊丝配置独立的电源、
【参考文献】：
期刊论文
[1]大电流GMAW焊接飞溅和烟尘的形态及相结构分析[J]. 樊丁,杨文艳,肖磊. 材料导报. 2019(16)
[2]缆式焊丝埋弧焊残余应力有限元分析[J]. 方臣富,杨志东,陈勇,胥国祥,江家忠,乔建设. 焊接学报. 2016(11)
[3]双丝旁路耦合电弧GMAW高效焊接工艺[J]. 樊丁,盛文文,黄健康,石玗,朱明. 机械工程学报. 2016(02)
[4]轴向磁场对非熔化极焊接电弧的影响[J]. 陈树君,蒙丹阳,苏再为,蒋凡,鲁永生. 焊接学报. 2014(10)
[5]纵向磁场作用下的钨极氩弧焊电弧温度场[J]. 殷咸青,孙江涛,张建勋. 西安交通大学学报. 2013(03)
[6]缆式焊丝CO2气体保护焊工艺研究[J]. 方臣富,陈志伟,胥国祥,胡庆贤,周航宇,时振. 金属学报. 2012(11)
[7]双丝间接电弧氩气保护焊的熔滴过渡与电弧形态[J]. 曹梅青,邹增大,曲仕尧. 焊接学报. 2012(06)
[8]缆式焊丝CO2气体保护焊接头残余应力高效数值计算和试验[J]. 方臣富,王海松,刘川,胡庆贤,时振. 焊接学报. 2012(05)
[9]双丝旁路耦合电弧高效熔化极气体保护焊过程模拟及控制[J]. 朱明,石玗,黄健康,樊丁. 机械工程学报. 2012(10)
[10]中国焊接制造领域学科发展研究[J]. 李晓延,武传松,李午申. 机械工程学报. 2012(06)
博士论文
[1]缆式焊丝气保焊电弧旋转及熔滴过渡行为研究[D]. 杨志东.江苏科技大学 2018
[2]集成环列三熔化极气体保护焊中电弧协同控制及熔滴过渡特征研究[D]. 向婷.天津大学 2017
[3]GMAW双丝焊和激光+GMAW双丝焊焊接过程数值分析[D]. 丁雪萍.天津大学 2014
[4]电磁控制TIG焊电弧特性及焊缝成形机理研究[D]. 杨旭.沈阳工业大学 2012
[5]耦合电极的磁分散电弧等离子体的数值模拟研究[D]. 白冰.中国科学技术大学 2012
[6]磁场控制高效MAG焊接旋转射流过渡稳定性的研究[D]. 王军.北京工业大学 2003
[7]磁控高熔敷率MAG焊机理研究[D]. 徐鲁宁.北京工业大学 2001
硕士论文
[1]大电流MIG/MAG焊接试验研究[D]. 郑发磊.兰州理工大学 2018
[2]纵向磁场频率对TIG焊电弧特性的影响[D]. 寇婵.沈阳工业大学 2015
本文编号：3292784
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：160 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
T.I.M.E.焊工艺焊接过程高速摄像结果[16]
博士学位论文3生产中的应用非常受限。图1.1T.I.M.E.焊工艺焊接过程高速摄像结果[16]（2）磁控大电流GMAW工艺为了解决大电流单丝GMAW过程中熔滴过渡不稳定的问题，殷树言等提出了磁控大电流GMAW工艺[11,17]。这一焊接工艺在仅使用Ar气和CO2混合气体作为保护气体的情况下，借助外加直流轴向磁场，使得原本不稳定的旋转射流过渡受控达到稳定的旋转射流过渡过程，同时获得了成形良好的焊缝，送丝速度45m/min，焊接电压55V，干伸长35mm，80%Ar+20%CO2保护气体条件下，外加磁场前后的液流束和焊接电弧形态以及焊缝成形结果如图1.2所示。研究表明：外加直流轴向磁场能够使原先摆动和旋转混合的过渡形式变为稳定的旋转射流过渡，虽然直流轴向磁场能够使电弧收缩，与在保护气中添加He气使电弧收缩效果一样，但是对于液流束而言，直流轴向磁场与偏斜液流束中的径向电流作用产生的环向电磁力会加剧其旋转运动，同时产生的附加径向力方向是向外的，如图1.3所示。a)无磁场b)外加磁场图1.2外加直流轴向磁场控制大电流GMAW电弧形态和焊缝成形[17]
磁控高效GMAW电弧-熔滴耦合行为研究4图1.3外加直流轴向磁场后GMAW液流束受力示意图（3）其他大电流GMAW工艺大电流GMAW熔滴过渡不可避免会形成不稳定的旋转射流过渡，并且在钢材焊接过程中，会引入氧化性气体（例如CO2），用以提高液态金属的流动性和焊接效率。但是CO2的引入会恶化熔滴过渡环境，焊接飞溅增大。日本OTC（DAIHENcorporation）公司与日本大阪大学接合焊接研究所[18]在大电流潜弧熔化极CO2气体保护焊基础上，通过调整输出电压波形为200Hz，44±10V，单丝单道一次焊透19mm厚低碳钢钢板，并获得了成形较好的焊缝，与普通多层多道焊工艺的对比结果如图1.4所示。此外，还有研究表明，脉冲电流一定程度上也能起到改善大电流GMAW焊缝成型的作用[19]。图1.4大电流潜弧CO2气体保护焊工艺与传统多层多道焊接工艺对比[18]1.2.2双丝（多丝）焊接工艺双丝（多丝）焊接工艺由于增加了熔化焊丝，焊接效率成倍增加。值得一提的是，该工艺中每根焊丝均形成独立电弧，作用在母材表面的电弧压力分布更为均匀，使得该方法适用于薄板的高速焊接。最开始两路焊丝均是从一个导电嘴中送出[20]，无法单独调节各路焊接参数，后来发展为多电极焊接，每一路焊丝配置独立的电源、
【参考文献】：
期刊论文
[1]大电流GMAW焊接飞溅和烟尘的形态及相结构分析[J]. 樊丁,杨文艳,肖磊. 材料导报. 2019(16)
[2]缆式焊丝埋弧焊残余应力有限元分析[J]. 方臣富,杨志东,陈勇,胥国祥,江家忠,乔建设. 焊接学报. 2016(11)
[3]双丝旁路耦合电弧GMAW高效焊接工艺[J]. 樊丁,盛文文,黄健康,石玗,朱明. 机械工程学报. 2016(02)
[4]轴向磁场对非熔化极焊接电弧的影响[J]. 陈树君,蒙丹阳,苏再为,蒋凡,鲁永生. 焊接学报. 2014(10)
[5]纵向磁场作用下的钨极氩弧焊电弧温度场[J]. 殷咸青,孙江涛,张建勋. 西安交通大学学报. 2013(03)
[6]缆式焊丝CO2气体保护焊工艺研究[J]. 方臣富,陈志伟,胥国祥,胡庆贤,周航宇,时振. 金属学报. 2012(11)
[7]双丝间接电弧氩气保护焊的熔滴过渡与电弧形态[J]. 曹梅青,邹增大,曲仕尧. 焊接学报. 2012(06)
[8]缆式焊丝CO2气体保护焊接头残余应力高效数值计算和试验[J]. 方臣富,王海松,刘川,胡庆贤,时振. 焊接学报. 2012(05)
[9]双丝旁路耦合电弧高效熔化极气体保护焊过程模拟及控制[J]. 朱明,石玗,黄健康,樊丁. 机械工程学报. 2012(10)
[10]中国焊接制造领域学科发展研究[J]. 李晓延,武传松,李午申. 机械工程学报. 2012(06)
博士论文
[1]缆式焊丝气保焊电弧旋转及熔滴过渡行为研究[D]. 杨志东.江苏科技大学 2018
[2]集成环列三熔化极气体保护焊中电弧协同控制及熔滴过渡特征研究[D]. 向婷.天津大学 2017
[3]GMAW双丝焊和激光+GMAW双丝焊焊接过程数值分析[D]. 丁雪萍.天津大学 2014
[4]电磁控制TIG焊电弧特性及焊缝成形机理研究[D]. 杨旭.沈阳工业大学 2012
[5]耦合电极的磁分散电弧等离子体的数值模拟研究[D]. 白冰.中国科学技术大学 2012
[6]磁场控制高效MAG焊接旋转射流过渡稳定性的研究[D]. 王军.北京工业大学 2003
[7]磁控高熔敷率MAG焊机理研究[D]. 徐鲁宁.北京工业大学 2001
硕士论文
[1]大电流MIG/MAG焊接试验研究[D]. 郑发磊.兰州理工大学 2018
[2]纵向磁场频率对TIG焊电弧特性的影响[D]. 寇婵.沈阳工业大学 2015
本文编号：3292784
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