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高低频脉冲耦合振荡对铝合金DP-GMAW焊缝成形的影响机制研究

刘安华  
【摘要】:脉冲熔化极气体保护焊(P-GMAW)焊接铝合金具有成本低、效率高等优点,使其在国防、航空航天、交通运输等领域得到了广泛的应用。基于P-GMAW基础上开发的双脉冲熔化极气体保护焊(DP-GMAW)以其在铝合金焊接方面独特的优势而备受关注。然而DP-GMAW焊接过程中参数间的协调控制、高低频脉冲的耦合作用对减少焊接缺陷、提高焊接质量的影响机理等尚未明确。本文以汽车用AA5754铝合金为实验材料,采用DP-GMAW焊接方法,系统研究了高频脉冲和低频脉冲耦合振荡条件下焊缝成形的机制。通过改变DP-GMAW主要特征参数,研究多脉冲参数变化对焊缝成形的影响规律。并基于对DP-GMAW焊焊接过程的观察和分析,研究了高低频脉冲作用下的电弧、熔滴及熔池的动态行为,以揭示附加低频调制脉冲对GMAW焊接接头成形影响的作用机理。本文的研究成果对进一步认识DP-GMAW焊接动态过程特征及对焊缝成形的影响机理具有重要的指导意义。 论文研究了低频脉冲频率(F)对焊缝成形及接头组织的影响,发现焊缝表面鱼鳞纹尺寸随着双脉冲F的增加,鱼鳞纹特征逐渐减弱并趋于消失,故可通过改变F以控制焊接接头鱼鳞纹表面成形。同时,焊缝熔深(H)由于受到低频频率的影响而呈现波状变化,从而提出以熔深的最大值和最小值来表征双脉冲焊缝熔深H。且同时发现DP-GMAW焊缝的气孔数量和晶粒尺寸随着F的增加而减小。 论文研究了DP-GMAW焊接过程中电弧动态行为及熔滴过渡过程。Tp阶段的电弧尺寸要比Tb处的电弧尺寸大,而Tb阶段电弧尺寸的变化量较Tp阶段的大。熔滴过渡受到DP-GMAW的高、低频脉冲的影响,低频峰值Tp阶段的熔滴过渡频率和过渡量比低频基值Tb阶段的熔滴过渡频率和过渡量高,但其过渡模式均为一脉一滴。 论文分析了DP-GMAW电弧动态行为和熔滴过渡过程的力学特征。电弧对熔池表面的压力主要取决于焊接电流、电弧的根部宽度和底部投影宽度。高频脉冲峰值处的电弧压力为基值处电弧压力的十倍,对熔池的冲击作用占主导地位。在F为0Hz到9Hz范围内,随着F的增加,Tp和Tb阶段的熔滴和电弧对熔池的冲击力的切换频率不断提高,但是冲击的幅度降低。熔滴进入熔池时的速度主要受到Tp与Tb阶段过渡频率、高频脉冲的峰值电流和基值电流、以及熔滴下落高度的影响。单个高频脉冲中的熔滴对熔池的热、力影响较小,熔池形貌在短程内保持稳定的特征;熔滴所携带的热、力对熔池形貌的影响显现出累积效应,在长程内呈现出大小强弱变化,导致焊缝熔深波动变化和表面鱼鳞纹形成。 论文基于针对于熔池观察的“照明—反光—滤光”视觉检测系统,清晰地拍摄了DP-GMAW焊接过程中熔池动态变化过程。在DP-GMAW中,熔池的形貌尺寸不断发生变化,Tp阶段熔池尺寸较大且液态金属的流动也更剧烈。随着低频频率F的增加,熔池尺寸在Tp与Tb间的变化量降低。Tp与Tb的脉冲的交替作用,导致熔池表面出现显著的变形,其变形量大小与两个阶段输入到熔池的能量差有密切关系。Tp与Tb阶段熔池前部的下凹程度和尾部的隆起程度分别取决于两阶段的能量。随着F增加,Tp与Tb阶段的熔深和隆起差值逐渐减小。熔池的低频激振频率通过熔池中某点所经历的低频振荡次数来表征,即熔池的振荡幅度取决于Tp和Tb间电弧和熔滴的冲量之差,F较低时,Tp和Tb间电弧和熔滴冲量差别较大,熔池受到低频冲击的幅度大,熔池表面变形较大;随着F的增加,Tp和Tb间电弧和熔滴冲量差别逐渐减小,熔池受到低频冲击幅度降低,熔池表面变形减小。且提出了冲击幅度可以用低频脉冲峰值期间Tp和基值期间Tb的冲量之差表达式表征,即


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