旁路耦合電弧GMAW工藝及機(jī)理研究.pdf

1、針對(duì)目前高效MIG/MAG焊接技術(shù)中存在的設(shè)備復(fù)雜成本高、工藝參數(shù)匹配復(fù)雜、有些方法需要使用特殊保護(hù)氣體或焊接材料、薄板和超薄板焊接效果欠佳等問(wèn)題,提出利用旁路耦合電弧熔化極惰性氣體保護(hù)焊(旁路耦合電弧GMAW)這種低成本、新型高效化MIG焊接方法系統(tǒng),通過(guò)改變旁路電弧參數(shù)分別改變作用于熔滴和熔池上的力場(chǎng)分布和熱輸入,從而合理分配焊絲與母材熱量,有效降低大電流焊接時(shí)的電弧壓力,在高效焊接時(shí)避免產(chǎn)生焊縫成型缺陷。該焊接方法可應(yīng)用于汽車(chē)薄板

2、的高效焊接、水利機(jī)械、壓力和化工容器復(fù)雜形狀工件表面高效堆焊等領(lǐng)域,具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值,是一種全新且有發(fā)展?jié)摿Φ暮附臃椒ā?br>　　 為了深入研究和正確掌握旁路耦合電弧GMAW高效焊接方法的耦合電弧特性,熔滴過(guò)渡機(jī)理以及焊絲與母材熱輸入的分配原則,為其能夠更好的應(yīng)用于實(shí)際焊接生產(chǎn)奠定基礎(chǔ),本文對(duì)該種焊接方法的旁路電流/電弧對(duì)耦合電弧形態(tài)和熔滴過(guò)渡方式的影響規(guī)律、焊接時(shí)焊絲與母材之間熱量輸入的分配規(guī)律、焊接過(guò)程控制以及高

3、速焊接工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析。
　　 第一,為了研究旁路電流/電弧對(duì)該焊接方法熔滴過(guò)渡過(guò)程和熔池表面電弧力的影響規(guī)律,本文對(duì)非熔化極雙旁路耦合電弧GMAW方法進(jìn)行了熔滴過(guò)渡受力分析,并對(duì)焊接熔滴在耦合電弧中下落時(shí)的豎直方向合加速度和受到作用力的合力進(jìn)行了簡(jiǎn)化計(jì)算。分析了相同焊接總電流條件下,不同旁路電流對(duì)熔滴下落速度、作用力和熔滴過(guò)渡形態(tài)的影響。理論分析和計(jì)算結(jié)果均表明旁路電流/電弧的引入不僅有利的促進(jìn)了焊接熔滴過(guò)渡

4、的順利進(jìn)行,使焊接過(guò)程在低于傳統(tǒng)GMAW臨界電流的條件下實(shí)現(xiàn)熔滴噴射過(guò)渡,而且可以降低焊接熔池表面電弧壓力從而減小焊接熔透量。
　　 第二,為了研究旁路電流/電弧對(duì)該焊接方法熱輸入分配方式的影響規(guī)律,在進(jìn)一步研究了熱量在面熱源和體熱源之間的分配方式的基礎(chǔ)上,建立了一種適用于旁路耦合電弧GMAW方法的復(fù)合熱源模型,對(duì)旁路耦合電弧GMAW方法焊接時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析和計(jì)算,模擬了不同焊接參數(shù)下工件溫度場(chǎng)的分布情況,分析了焊接參數(shù)

5、對(duì)母材熱輸入的影響規(guī)律,并進(jìn)行了相同焊接參數(shù)條件下的堆焊試驗(yàn),采集得到了不同焊接參數(shù)下工件背面特征點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線(xiàn),并與相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,焊接試驗(yàn)結(jié)果較好的驗(yàn)證了旁路耦合電弧GMAW方法復(fù)合熱源模型的合理性。
　　 第三,針對(duì)旁路恒流外特性MIG焊的送絲速度和焊接電流對(duì)雙絲旁路耦合電弧GMAW過(guò)程穩(wěn)定性和母材熱輸入的影響規(guī)律及其相互的耦合關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上嘗試多種控制方案,尋找最優(yōu)控制途徑。首先通過(guò)單

6、閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)旁路送絲速度實(shí)現(xiàn)了控制,保證了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性;其次通過(guò)雙路閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程中的母材熱輸入實(shí)現(xiàn)了控制,進(jìn)一步去除了焊接過(guò)程中影響母材熱輸入和焊縫質(zhì)量穩(wěn)定的焊接總電流波動(dòng)帶來(lái)的干擾因素;最后,在雙路閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)旁路送絲速度和電流的耦合關(guān)系實(shí)現(xiàn)了部分解耦控制,進(jìn)一步提高了控制系統(tǒng)的精度和焊接系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 第四,在理論分析和控制方案保障的基礎(chǔ)上,分別對(duì)非熔化極單旁路、雙旁路和雙絲旁路耦合電弧GMA