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用于调控高速GMAW熔池后向液体流的外加电磁场数值分析

李琰  
【摘要】:当GMAW焊接速度高于一定的临界值时,会出现驼峰焊道成形缺陷。国内外学者研究发现,高速GMAW焊接时熔池内动量很大的后向液体流是驼峰焊道形成的主要原因。因此,通过主动向熔池施加外部磁场,利用焊接电流与外加磁场作用产生指向熔池前方的附加电磁力,对熔池中后向液体流的动量和流态加以调控,从而抑制或消除驼峰焊道缺陷。为了探究外加磁场对高速GMAW焊接电弧行为和熔池流态的调控机理,本文对焊接过程中的外加磁场和附加电磁力开展数值模拟。首先,根据外加励磁装置的布置方式,建立了焊前工件上外加磁场的三维模型,计算了不同励磁参数下工件上外加电磁场的分布,并给予实验测量值进行验证。然后,针对焊接过程中工件材料(Q235b)的铁磁性质,提出热-磁耦合分析方法,实现熔池内外加电磁场的数值计算。耦合场模拟结果表明:高速焊过程中,外加磁场主要以横向磁场分布在熔池区和电弧区;在焊接工件上,电弧直接加热的区域磁感应强度较低,而熔池前缘以外工件区域的磁感应强度较高。为此,对外加磁场的作用位置进行调整,提出了选择合适磁弧间距的方法,以保证在熔池适当区域内磁感应强度满足调控要求。根据GMAW电弧区图像,建立了外加磁场作用下焊丝端头的导电液流束的偏转模型;结合外加磁场在电弧区的分布情况,计算了不同工艺条件下电弧和液流束偏离焊丝中心的位移以及偏转角度。并通过数字图像处理的方法得到焊丝端头液流束偏转的测量值,对计算结果进行验证。对外加磁场作用下焊接熔池受力分析,分别给出了熔池中附加电磁力计算模型和哈特曼效应计算模型。在综合考虑热-磁耦合和焊丝端头液流束偏转的基础上,计算了熔池中影响熔池流动的两种电磁体积力的分布。数值计算结果表明:熔池中附加电磁力的值远远大于哈特曼电磁力;在熔池流态调控的分析中,可以忽略哈特曼电磁力的影响,以纵向附加电磁力Fcx的调控为主。开展了磁控高速GMAW实验和下坡高速GMAW实验,实验中励磁电流为8.7 A的励磁条件下产生的附加电磁力与15°下坡焊实验中熔池液体金属的重力分量,对熔池后向液体流的减缓作用相同,都可以抑制在2.37 m/min焊接速度下产生的驼峰焊道。但是,下坡焊是人为故意设置的焊接条件,实际焊接生产中不可能在任意情况下都有下坡焊的条件,而外加磁场却是简便易行的熔池流态调控手段,有宽广的工艺适用性。


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