柔性變極性等離子弧特性及鋁合金橫焊穿孔熔池行為.pdf

1、隨著鋁合金焊接結(jié)構(gòu)大型化發(fā)展，原位焊接制造成為關(guān)注的焦點(diǎn)，其中最為典型的應(yīng)用是重型運(yùn)載火箭燃料貯箱的焊接，而鋁合金橫焊技術(shù)成為制約其發(fā)展的瓶頸。鋁合金橫焊難度較大、焊接質(zhì)量和效率較低，主要是重力對(duì)熔池作用和鋁合金本身物理特性導(dǎo)致。為解決上述問(wèn)題、提高鋁合金橫焊效率和質(zhì)量，開展了變極性等離子弧鋁合金穿孔橫焊技術(shù)的研究。根據(jù)常規(guī)變極性等離子?。ê?jiǎn)稱“常規(guī)電弧”）穿孔橫焊難點(diǎn)和穿孔熔池穩(wěn)定建立條件，從改變電弧特性角度出發(fā)，提出柔性變極性等離子

2、?。ê?jiǎn)稱“柔性電弧”）。在穿孔焊接前提下，通過(guò)改變電弧能量和壓力分布，促進(jìn)穿孔熔池穩(wěn)定建立，最終實(shí)現(xiàn)了8mm厚2A14鋁合金板穿孔橫焊，焊縫成形良好且組織、力學(xué)性能優(yōu)異。
　　首先，采用常規(guī)電弧對(duì)6mm、8mm厚鋁合金板進(jìn)行穿孔橫焊試驗(yàn)，明確鋁合金穿孔橫焊的瓶頸問(wèn)題。板厚6mm時(shí)，穿孔橫焊的難點(diǎn)是咬邊和氣孔缺陷的控制；板厚8mm時(shí)，穿孔橫焊的難點(diǎn)是如何保證穿孔熔池穩(wěn)定建立。針對(duì)穿孔橫焊難點(diǎn)，探究咬邊缺陷的成因和穿孔熔池穩(wěn)定建立的條

3、件。正面咬邊缺陷主要是由較大熱輸入和電弧壓力導(dǎo)致；背面咬邊缺陷主要是由較小熱輸入或較大電弧壓力導(dǎo)致。熔池動(dòng)態(tài)行為觀察結(jié)果表明，熔池背面上、下側(cè)熔化金屬的搭橋連接是穿孔熔池建立的關(guān)鍵，熔化金屬在熔池正面的填充能夠防止穿孔熔池的崩潰，圍繞小孔的流動(dòng)是穩(wěn)定穿孔熔池的標(biāo)志。根據(jù)問(wèn)題產(chǎn)生原因，提出了初步控制措施?！靶∫?guī)范+背面預(yù)熱”措施可消除6mm板穿孔橫焊咬邊缺陷；“坡口設(shè)計(jì)”措施可促進(jìn)8mm板穿孔熔池的建立，但未能徹底解決穿孔熔池穩(wěn)定性問(wèn)題。

4、
　　根據(jù)穿孔熔池穩(wěn)定建立的熱、力條件，提出了從改變電弧特性角度控制穿孔熔池穩(wěn)定性的研究思路。通過(guò)使用三孔型水冷噴嘴，改變電弧能量和壓力分布，獲得柔性變極性等離子弧，改善了橫焊縫成形、提高了穿孔過(guò)程穩(wěn)定性。良好作用效果源于其獨(dú)特的電弧特性。與常規(guī)電弧相比，柔性電弧形態(tài)擴(kuò)展，壓縮程度降低；靜特性下移，阻抗特性降低。通過(guò)分裂陽(yáng)極法測(cè)量電弧能量密度分布，利用水冷銅板小孔法檢測(cè)電弧壓力分布。與常規(guī)電弧相比，柔性電弧能量集中程度較高，源于三

5、孔型水冷噴嘴的使用和較大的離子氣流量；在工件表面柔性電弧能量分布呈橢圓形，改變了穿孔熔池形貌；柔性電弧壓力幅值及梯度都大大降低，增加了電弧穩(wěn)定性。通過(guò)穿孔熔池受力計(jì)算和流動(dòng)行為分析，闡釋了柔性電弧的作用機(jī)理：電弧壓力的減小，使焊縫背面最大允許孔徑增大，促進(jìn)了穿孔熔池尾部的填充；其熱源特性提高了熔化金屬的流動(dòng)性，促進(jìn)了熔化金屬的搭橋連接和正面填充，提高了穿孔焊接的穩(wěn)定性。
　　利用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件Fluent，對(duì)穿孔焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)

6、值模擬，定量研究電弧形式和電弧壓力對(duì)熔池行為的影響。為準(zhǔn)確描述柔性電弧特性，建立了雙橢圓面-錐體復(fù)合熱源模型和力源模型。通過(guò)UDF(User Defined Function)二次開發(fā)和VOF(Volume of Fluid)界面追蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維瞬態(tài)穿孔焊接數(shù)值模擬并驗(yàn)證了模型的可靠性。在穿孔熔池形成過(guò)程模擬中，柔性電弧穿孔速度慢，熱傳導(dǎo)在工件寬度方向作用顯著，熔池溫度較高，溫度場(chǎng)分布不對(duì)稱；電弧壓力增加使穿孔直徑增大、小孔周圍金屬

7、液膜變薄、向熔池正面的流動(dòng)速度降低。在穿孔熔池填充過(guò)程模擬中，柔性電弧熔池內(nèi)熔化金屬的搭橋連接速度快、填充能力強(qiáng)，熔池凝固速度慢。根據(jù)模擬結(jié)果，提出了穿孔熔池填充判定條件：表面張力附加力大于電弧力和重力合力；熔化金屬搭橋連接和正面填充時(shí)間小于熔池凝固時(shí)間。判定條件揭示了橫焊位置穿孔熔池的熱、力平衡機(jī)制。
　　最后，對(duì)鋁合金柔性電弧穿孔橫焊工藝及接頭組織、力學(xué)性能進(jìn)行研究，并與常規(guī)電弧立焊進(jìn)行對(duì)比分析，檢驗(yàn)工藝穩(wěn)定性和接頭可靠性。柔