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磁场控制高效MAG焊接旋转射流过渡稳定性的研究

王军  
【摘要】:摘 要 随着焊接技术在工业生产中的广泛应用,各生产厂家为了增强市场竞争力, 越来越强烈要求降低成本,提高焊接生产效率。因此,高效、低成本的焊接工 艺方法已经成为焊接工作者研究的热点。提高焊接电流是实现高效焊接的关键。 但是,对于一定直径的焊丝而言,它的电流容量是有一定限度的,随着焊接电 流的增加,如果不采取相应的控制措施,焊接过程将进入到不稳定的旋转射流 过渡,使得焊接过程中产生很大的飞溅,焊缝成型极差,不能在焊接生产中应 用。本文针对细丝大电流焊接过程,对旋转射流过渡不稳定性的机理及影响因 素等方面进行了深入的研究,从焊接设备和焊接工艺的角度,提出了磁场控制 的高效、低成本、无氦保护的 MAG 焊接新工艺方法。 本文通过对细丝大电流焊接旋转射流过渡时液流束以及焊接电弧的受力分 析,引入了液流束稳定性的概念,并提出旋转射流过渡时特有的焊接电弧形态 和它与液流束之间相对位置的变化是决定液流束上受到的力的关键,同时也是 决定液流束稳定性的关键。采用直观分析的方法提出在大电流焊接时液流束所 具有的压缩不稳定性和螺旋不稳定性,正是其自身所具有的螺旋不稳定性才是 产生旋转射流过渡的内在本质原因,再加之受到的外界电弧力的作用,才引起 液流束的旋转运动。分析了旋转射流过渡时液流束的运动特性、液流束的运动 与焊接电弧的运动之间的主从关系及运动特征。指出是旋转射流过渡时特有的 焊接电弧形态所产生的电弧力促使液流束的旋转,而液流束的旋转又带动焊接 电弧的旋转。而没有控制的旋转射流过渡过程是不稳定和无规律的过程。通过 试验分析了焊丝干伸长度、保护气体、焊接电弧电压等对旋转射流过渡过程稳 定性的影响。 提出采用外加磁场控制连续大电流焊接旋转射流过渡过程的焊接新工艺、 新方法。采用简正模分析的方法从机理上分析了外加磁场对旋转射流过渡时液 流束稳定性的影响,指出外加磁场的引入可以提高液流束的稳定性。分析了液 流束在外加磁场作用下的受力状况以及液流束的运动行为。指出在外加磁场引 入之后,改变了液流束的受力状态和运动行为。使得液流束的运动由无规律的、 不稳定的状态变成可控性强、规律性好、稳定性好的过程,从而大大拓展了连 - I - WP=6 北京工业大学工学博士学位论文 续大电流焊接时的实用的规范区间。 采用 ANSYS 有限元分析的方法,对各种情况下的磁场的分布情况进行了 仿真和计算。分析了励磁线圈的形状、位置、励磁电流的大小、焊接材料的变 化、坡口形式的变化等诸多因素对磁场分布的影响。为在不同形式下焊接时选 择科学、合理的外加磁场提供了理论上的支持。 在上述理论分析和计算的基础上,建立了一套磁场控制的高效 MAG 焊接 系统。主要包括性能优良的焊接电源、稳定可靠的送丝系统、成本低廉的保护 气体和简单实用灵活方便的磁场控制器件。并在上述焊接系统的基础上,通过 大量的焊接试验,证实了外加磁场对旋转射流过渡过程的控制作用。在送丝速 度 45m/min,保护气体为常规的 80%Ar+20%CO2的情况下,得到稳定性好、可 控性好的旋转射流过渡,从而大大提高了焊接生产效率。实现了在连续大电流 的区间获得稳定的无氦保护的、低成本、高效 MAG 焊接新工艺。


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