高速三弧MAG焊動態穩定行為與焊縫成形機理研究

《高速三弧MAG焊動態穩定行為與焊縫成形機理研究》是依託上海交通大學，由華學明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高速三弧MAG焊動態穩定行為與焊縫成形機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：華學明
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

高速熔化極氣體保護焊可以提高焊接效率、降低焊接成本。本課題針對艦船用中厚板的焊接製造，提出研究新型高速三弧MAG焊接方法的動態穩定行為與焊縫成形機理。利用理論分析、數值分析和試驗相結合的方法，研究高速三弧MAG焊耦合電弧的物理特性及其對熔滴過渡行為的影響，揭示動態傳熱與傳質的穩定控制因素；研究多弧耦合的焊絲熔化特性，揭示穩定焊接工作點的遷移途徑，建立高速三弧MAG焊熔滴過渡動態穩定的弧源匹配原則；研究高速MAG焊的熔池熔體行為，闡明三弧耦合對熔池流動的影響機理;研究三弧耦合提高焊接速度的機制，揭示高速熔凝過程中缺陷的產生機制,建立獲得良好焊縫成形的控制方法。本課題的研究成果，為研發焊接速度達到甚至超過2m/min的高速MAG焊接技術具有理論指導意義。

結題摘要

為了大幅度提高焊接速度，在維持焊接線能量大體上保持不變的情況下，一般採用雙絲甚至多絲熔化極氣體保護焊接方法以提高焊接速度。多絲焊接工藝之所以能夠緩解單絲高速焊接中的問題，是由於在熔池凝固之前，能夠使更多熔敷金屬迅速填滿弧坑，這就意味著熔化速度和熔敷效率更大，故能夠增大焊接速度。但是多絲焊接也存在一定的問題，比如電弧之間的相互干擾使焊接過程變得不穩定等。 本課題利用三絲自動焊接系統、數據採集分析系統以及高速攝像系統建立了一套完整的三絲GMAW焊接試驗平台，對三絲GMAW焊接工藝、電信號、電弧形態、熔滴過渡形態進行了分析，重點研究了多絲焊接電弧之間的干擾，分析了多絲焊接工作點的變化。 同時，基於流體力學理論建立了單絲常速GMAW、高速GMAW、雙絲GMAW、三絲GMAW焊接熔池三維數值模型，模型考慮了熔池所受到的重力、電磁力、浮力、電弧壓力、表面張力、以及熔滴的動態衝擊作用，在能量邊界條件中考慮了熔池的輻射、對流、以及蒸發作用。基於FLOW3D軟體模擬研究獲得了常速GMAW、高速GMAW、雙絲GMAW、三絲GMAW焊接熔池的溫度場、速度場等物理場，基於高速攝影系統觀察了熔池形態。 實驗結果表明，在單絲焊接過程中，電弧基本呈現錐形，單絲焊接時，隨著電流增大，電弧亮度也變大，在電流達到300A時，電弧較穩定。在相同的線能量條件下，單雙三絲，焊縫成形係數逐漸增大，余高係數逐漸減小；在相同的速度條件下，線能量越大，焊縫成形係數越小；保持單、雙、三絲焊速為1:2:3，單、雙、三絲焊縫成形係數逐漸增大，余高係數逐漸減小，焊接效率增大。此外，在雙絲以及三絲焊接中，由於相鄰電弧的加熱作用，使得電弧電阻熱減小，乾伸長相應減小，達到雙絲（三絲）穩定焊接狀態後，電弧的焊接工作點發生了變化。 模擬和實驗結果表明，單絲高速焊接駝峰形成的機理是液態金屬在熔池尾部堆積形成“隆起”，同時高速時液體通道的拉長、收縮、提前凝固，隔斷了熔池前部與尾部的液態金屬和能量的傳遞，形成了波峰和波谷不均勻的駝峰焊道。在雙絲焊接中，兩根絲之間的熔池存在電弧壓力和液滴衝擊力所引起的“推-拉”流動方式，以及表面張力所引起的向外流動方式。“推-拉”流動方式抑制了大量液態金屬向熔池尾部流動，降低了後向液體流的動量，液態金屬無法在熔池尾部堆積形成“隆起”。同樣，在保持相同線能量條件下，三絲焊接中也未出現駝峰缺限。