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双丝间接电弧焊电弧特性研究

吴东亭  
【摘要】: 双丝间接电弧气体保护焊是一种新研发的焊接工艺,其接线方式与传统电弧焊不同,两焊丝分别与电源的正负极相接,工件不接电极;电弧形成并燃烧于互成一定角度的两焊丝端部,不同于传统焊接方法中电弧存在于工件与电极之间;该焊接方法具有熔敷系数高、熔合比小、焊接应力和变形小的特点,是一种具有应用前景的高效焊接工艺。 双丝间接电弧的电弧特性对熔滴过渡、焊缝成形和焊接工艺的稳定有着至关重要的影响,本文结合已有成果,采用数值模拟与焊接试验相结合,在进一步设计焊枪结构的基础上,对双丝间接电弧的电弧特性进行了研究,总结了工艺参数对电弧形态及焊接工艺性能的影响规律。 数值模拟结果表明,采用保护罩内腔形状为圆柱型时,喷嘴附近气体流速很低,喷出气体的挺度低,保护效果不理想;圆柱型内腔的保护罩还降低了焊枪的可达性。保护罩内腔的形状改进为收缩型时,喷嘴附近喷出气体流速增大,但气流紊乱程度变大,导致焊枪气体保护效果没有明显改善。使用变截面的保护罩内腔形状,可以得到良好的气体保护效果。进一步计算确定,选择变截面内腔中喷嘴端圆柱型柱面长度为20mm,收缩处坡度角为45°,保护效果比较理想。 将流体力学和电磁学结合起来(磁流体动力学),遵循流体连续性(质量守恒)、动量守恒与能量守恒的原则以及焊接的实际情况,建立了三维电弧数学模型来对双丝间接电弧进行数值模拟计算,运用有限元软件ANSYS电场、磁场和流场多场耦合来求解焊接电弧的数理方程,得到了双丝间接电弧温度场、电弧电势、电流密度和等离子体速度场等模拟结果。 双丝间接电弧焊自由扩展的电弧外观形态看起来像气焊时的火焰,是电弧空间的带电粒子在电磁力和流体压缩力等共同作用下形成的。两焊丝夹角α、两焊丝交点到工件的距离d及选用的保护气体成分等工艺参数对电弧形态具有重要影响,选择两焊丝夹角为20~30°,两焊丝交点到工件的距离为8-10mm,保护气体的成分为75%Ar+25%CO2,可以获得综合成形比较好的电弧形态。


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