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铝合金P-GMAW电弧—熔池多因素耦合行为及机制

王璐璐  
【摘要】:脉冲熔化极气体保护焊(Pulsed current gas metal arc welding,简称PGMAW)热输入量小、焊接变形小、生产率高,被广泛应用于铝合金、高强钢等薄板及热敏感性材料的焊接生产中。然而,P-GMAW过程参数较多,焊接过程中电弧、熔池、熔滴过渡等多物理过程相互作用,电场、磁场、温度场、流场等相互耦合,且脉冲电流的快速变化给电弧及熔池行为带来影响,多物理过程、多因素耦合的复杂过程使得P-GMAW过程动态变化机理至今仍未被完全掌握。本文以数值模拟为主要研究手段,结合实验观察,研究P-GMAW过程中多因素耦合作用下焊接电弧行为,阐明脉冲电弧等离子体热惯性对焊接电弧及过程稳定性的影响机理。基于对脉冲电弧及熔池动态行为的观察和分析,以研究周期性变化的电弧对熔池振荡行为的作用机制。同时分析了金属蒸气对熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,简称GMAW)电弧特征的影响,以揭示金属蒸气对焊接电弧及熔池行为的影响机制。本文在综合考虑焊丝、电弧、熔池流体流动、熔池表面变形、金属蒸发以及熔滴与电弧、熔池之间的相互耦合作用下,建立了适合于描述P-GMAW电弧及熔池行为的三维动态自收敛数值模型。并基于实验所得的电弧轮廓、温度场、电压及焊缝成形,验证了模型的可靠性。表明该模型能较好地模拟P-GMAW焊接过程,以揭示该过程中复杂的物理现象及机理。基于该模型,所获得的研究结果如下:通过P-GMAW焊接电流下降过程中的热惯性及电弧特征的分析,研究了热惯性对焊接过程稳定性的影响机理。结果表明热惯性主要通过增加电弧-焊丝、电弧-熔池界面处的温度,提高电弧的导电性来实现稳弧作用。热惯性在焊接电弧区域存在两个高值区,一个位于焊丝的正下方,一个位于熔池的正上方,其最大值随着焊接电流下降速度的提高而升高。热惯性的稳弧作用存在临界值,电流下降速度越大热惯性作用越明显,对于本文给定的脉冲峰值电流220 A、基值电流90 A的指数型脉冲电流,当焊接电流下降速度大于260 A?ms-1,热惯性可显著提高电弧温度及焊接过程稳定性。研究了P-GMAW脉冲电弧的动态行为,以及其对熔池振荡的作用机制。结果表明电弧压力是熔池振荡的关键因素。P-GMAW焊接电弧形貌的周期性变化,使得热输入及作用于熔池表面的电弧压力交替变化,熔池表面发生不同程度的变形,最终导致熔池振荡。熔池的振幅取决于脉冲峰值电流及基值电流的差值,且随着脉冲峰值电流的增加而增加。对于本文给定的脉冲峰值电流220 A、基值电流90 A的指数型脉冲电流,脉冲峰值电弧压力为基值电弧压力的6倍,熔池振荡幅度为0.8 mm。分析了不同电流条件下,GMAW焊接过程中金属蒸气的分布及其对电弧特征、热输入及熔池行为的影响。结果表明焊接电弧中的金属蒸气主要来源于焊丝端部金属的蒸发,其蒸发率高于熔池表面金属蒸发率的12倍,因而金属蒸气集中分布在焊丝端部的周围及焊接电弧的中心,并且焊接电流越大,分布越集中。金属蒸气降低了焊接电弧的欧姆热,增加了电弧辐射热损失,从而降低了焊接电弧中心的温度,使得焊接电流更加均匀的通过电弧弧柱。电弧温度的降低大大减少了焊接热输入,并且随着焊接电流的增大金属蒸气的作用更加明显,且发现铝合金GMAW焊接金属蒸气对热输入的降低可达20%~30%。


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