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旁路耦合电弧GMAW工艺及机理研究

薛诚  
【摘要】:针对目前高效MIG/MAG焊接技术中存在的设备复杂成本高、工艺参数匹配复杂、有些方法需要使用特殊保护气体或焊接材料、薄板和超薄板焊接效果欠佳等问题,提出利用旁路耦合电弧熔化极惰性气体保护焊(旁路耦合电弧GMAW)这种低成本、新型高效化MIG焊接方法系统,通过改变旁路电弧参数分别改变作用于熔滴和熔池上的力场分布和热输入,从而合理分配焊丝与母材热量,有效降低大电流焊接时的电弧压力,在高效焊接时避免产生焊缝成型缺陷。该焊接方法可应用于汽车薄板的高效焊接、水利机械、压力和化工容器复杂形状工件表面高效堆焊等领域,具有重要的理论意义和工程实用价值,是一种全新且有发展潜力的焊接方法。 为了深入研究和正确掌握旁路耦合电弧GMAW高效焊接方法的耦合电弧特性,熔滴过渡机理以及焊丝与母材热输入的分配原则,为其能够更好的应用于实际焊接生产奠定基础,本文对该种焊接方法的旁路电流/电弧对耦合电弧形态和熔滴过渡方式的影响规律、焊接时焊丝与母材之间热量输入的分配规律、焊接过程控制以及高速焊接工艺进行了系统的试验研究和理论分析。 第一,为了研究旁路电流/电弧对该焊接方法熔滴过渡过程和熔池表面电弧力的影响规律,本文对非熔化极双旁路耦合电弧GMAW方法进行了熔滴过渡受力分析,并对焊接熔滴在耦合电弧中下落时的竖直方向合加速度和受到作用力的合力进行了简化计算。分析了相同焊接总电流条件下,不同旁路电流对熔滴下落速度、作用力和熔滴过渡形态的影响。理论分析和计算结果均表明旁路电流/电弧的引入不仅有利的促进了焊接熔滴过渡的顺利进行,使焊接过程在低于传统GMAW临界电流的条件下实现熔滴喷射过渡,而且可以降低焊接熔池表面电弧压力从而减小焊接熔透量。 第二,为了研究旁路电流/电弧对该焊接方法热输入分配方式的影响规律,在进一步研究了热量在面热源和体热源之间的分配方式的基础上,建立了一种适用于旁路耦合电弧GMAW方法的复合热源模型,对旁路耦合电弧GMAW方法焊接时的温度场进行了数值分析和计算,模拟了不同焊接参数下工件温度场的分布情况,分析了焊接参数对母材热输入的影响规律,并进行了相同焊接参数条件下的堆焊试验,采集得到了不同焊接参数下工件背面特征点的焊接热循环曲线,并与相应的数值模拟结果进行了对比分析,焊接试验结果较好的验证了旁路耦合电弧GMAW方法复合热源模型的合理性。 第三,针对旁路恒流外特性MIG焊的送丝速度和焊接电流对双丝旁路耦合电弧GMAW过程稳定性和母材热输入的影响规律及其相互的耦合关系进行试验研究。在此基础上尝试多种控制方案,寻找最优控制途径。首先通过单闭环控制系统对旁路送丝速度实现了控制,保证了焊接过程的稳定性;其次通过双路闭环控制系统对焊接过程中的母材热输入实现了控制,进一步去除了焊接过程中影响母材热输入和焊缝质量稳定的焊接总电流波动带来的干扰因素;最后,在双路闭环控制系统的基础上对旁路送丝速度和电流的耦合关系实现了部分解耦控制,进一步提高了控制系统的精度和焊接系统的稳定性。 第四,在理论分析和控制方案保障的基础上,分别对非熔化极单旁路、双旁路和双丝旁路耦合电弧GMAW三种不同形式的旁路耦合电弧GMAW的焊接工艺进行了深入研究,对影响其焊接过程与焊缝成形质量的焊枪几何参数进行了试验确定,得到了各方法下的最佳焊枪几何参数及参数选取原则。在此基础上将三种不同形式的旁路耦合电弧GMAW方法分别应用于低碳钢和镀锌板的高速堆焊和搭接接头的焊接试验中,分别得到了各方法下的高速堆焊参数范围和镀锌板高速堆焊和搭接试验结果,并对结果进行了分析。


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