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《北京工业大学》 2017年
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激光辅助交流双丝间接电弧熔滴过渡行为与机理

王立伟  
【摘要】:为了满足当前制造业对高效优质焊接的需求,提出一种激光辅助交流双丝间接电弧焊接方法,即在两根焊丝之间建立交流间接电弧熔化焊丝,激光束在双丝轴线交点位置与间接电弧交叉复合,激光束焦点为双丝轴线交点。利用交流间接电弧阴、阳极熔化速度差异,匹配双丝同步送进速度,可控制双丝末端熔滴交替送进-回抽,熔滴到达激光焦点位置时刻,被脉冲激光照射,熔滴在激光蒸发反冲力作用下脱离焊丝,过渡至母材,本文将这一过程概括为:双熔滴交替主动靶向激光和激光辅助熔滴定向过渡。该方法充分发挥激光、间接电弧各自的优势,同时具有热输入低和熔敷率高的特点,为实现优质高效电弧焊接提供新的技术手段。论文具体研究工作从交流双丝间接电弧丝材非均衡熔化、双丝熔滴交替主动靶向行为控制和激光辅助熔滴过渡行为与机制这三方面展开。(1)交流双丝间接电弧丝材非均衡熔化模型构建课题首先以交流钨极-熔化极间接电弧为研究对象,分析不同极性、不同电流波形时的电弧行为、焊丝熔化特性及熔滴过渡基本规律,研究阴极斑点在焊丝上的爬升规律及其对电弧稳定性的影响,建立了焊丝在不同电流和不同极性时的熔化速度预测模型。进而以交流双丝间接电弧的丝材动态熔化过程和双熔滴交替往复协同运动为约束,构建了交流双丝间接电弧丝材非均衡熔化模型,模型输入为交流电流波形,输出结果为保障实现熔滴交替靶向控制的双丝同步送进速度、熔滴体积及质心位置。(2)双熔滴交替主动靶向的可控性和稳定性研究双丝间接电弧的稳定是保证熔滴主动靶向的前提,提出以双丝间接电弧最大弧长作为特征指标考量电弧的稳定性。结合试验测量和相关等离子物理模型,分析了电流幅值、电流频率和双丝夹角对最大弧长的影响规律,为熔滴交替主动靶向控制提供了工艺窗口指导。研究了交流方波电流波形的双熔滴交替主动靶向行为,得到了电流频率对交替过程的影响规律,优化设计双基值交流方波脉冲电流波形,确立了固定空间位置上形成固定体积熔滴的可控熔化机制,实现了双丝交替主动靶向行为控制,为激光辅助熔滴定向过渡提供了先决条件。(3)激光-间接电弧复合作用下熔滴过渡行为与机制研究建立了激光辅助熔滴过渡的物理模型,并基于多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对激光辅助熔滴过渡过程进行模拟,确定了激光入射的合适位置和激光功率的取值范围。根据模拟结果对激光辅助熔滴过渡进行试验,研究入射位置、激光功率等工艺参数对熔滴过渡形状、飞溅大小及飞行方向的影响,确立了激光辅助熔滴过渡机制:当激光入射位置在焊丝和熔滴的固液界面处,激光功率在1200 W及以上,10 ms脉宽时长内均能使熔滴过渡,当功率为1400 W时,熔滴过渡过程飞溅小,过渡形状规则,飞行方向与激光入射方向一致,即实现激光辅助熔滴定向过渡。(4)激光辅助双丝间接电弧焊接工艺试验研究构建了试验系统,包括焊接系统,激光系统,焊接过程控制系统,以及图像和数据的采集与存储系统。试验系统的硬件方面能够实现精细调节双丝末端与激光光斑的相对位置;软件方面能够实现同步控制焊接电流和脉冲激光波形输出,实时调整双同步送丝速度,同步采集焊接过程图像和电信号。利用试验系统进行了激光辅助双丝间接电弧焊接试验,分析了激光对间接电弧和熔滴过渡频率的影响,对比说明了交流双丝间接电弧焊丝熔化速度的优势。研究了激光-双丝间接电弧复合多工艺参数对焊缝尺寸的影响规律,并以熔敷效率为衡量指标对比评价了激光辅助交流双丝间接电弧焊接方法与同样具有低热输入特点的CMT(Cold Metal Transfer,冷金属过渡)焊接方法在熔敷率方面的优势。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TG444

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