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高速GMAW驼峰形成及双丝焊抑制机理研究

吴东升  
【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。


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