超聲-GMAW復合焊接方法及其熔滴過渡行為研究.pdf

1、本文針對常規(guī)熔化極氣體保護焊(GMAW)熔滴過渡頻率低、過程穩(wěn)定性差等問題,將超聲輻射力引入 GMAW熔滴過渡過程,提出了超聲輔助熔化極氣體保護焊(U-GMAW)方法。根據(jù)超聲和焊接的工作特點精確設計復合焊炬的形式和尺寸,構(gòu)建了復合焊接平臺,以此為基礎研究了超聲參數(shù)對電弧行為的影響規(guī)律,分析了聲場在復雜電弧焊環(huán)境下的分布特征,獲得了諧振狀態(tài)聲場參數(shù),進而揭示不同熔滴過渡模式的變化特征,實現(xiàn)了穩(wěn)定連續(xù)的熔滴過渡過程。采用數(shù)值計算和理論分析

2、方法研究了超聲-GMAW復合焊接過程聲輻射力分布特征和熔滴受力變化特點,揭示了聲輻射力對熔滴過渡的作用機理,為進一步實現(xiàn)可控的熔滴過渡研究提供了試驗依據(jù)和理論基礎。
　　首先根據(jù)系統(tǒng)工作原理提出了平臺總體設計原則,確定了以超聲振動系統(tǒng)為基體的復合焊炬設計方案。采用數(shù)值計算和有限元優(yōu)化對超聲振動系統(tǒng)的尺寸進行了精確設計,獲得了諧振頻率和阻抗特性滿足要求的超聲振動系統(tǒng)?；诔曊駝酉到y(tǒng)完成了復合焊炬設計,實現(xiàn)了送絲機構(gòu)、電連接、保護氣

3、、冷卻水等必要的焊槍元素,完成復合焊接系統(tǒng)構(gòu)建。利用水滴滴落過程模擬熔滴過渡進行驗證性試驗,探索聲輻射力分布及其對液滴作用規(guī)律,觀察到液滴變形并加速過渡的現(xiàn)象,同時證實了超聲性能滿足試驗要求。
　　采用高速攝像裝置和電信號分析系統(tǒng)觀察電弧行為,發(fā)現(xiàn)了超聲-GMAW焊接過程中電弧收縮現(xiàn)象。以電弧形態(tài)參數(shù)變化為依據(jù)考察了不同超聲參數(shù)的影響規(guī)律,電弧收縮程度隨超聲振幅提高和輻射端面積增大而單調(diào)遞增,但是隨輻射端高度增加發(fā)生波動變化,證實

4、了超聲在焊接環(huán)境下形成一定模式的聲場。以送絲速度和焊接電壓為主要參數(shù)研究了超聲-GMAW復合焊接的電弧特點,獲得了超聲-GMAW復合焊接過程中電弧收縮規(guī)律,對電弧導電特點的分析顯示弧柱電場強度大幅提高。
　　從整體的熔滴過渡規(guī)范區(qū)間分布和具體的熔滴過渡類型特點角度出發(fā),揭示了超聲-GMAW復合焊接熔滴過渡特征的變化。從整體來看,短路過渡模式的電壓規(guī)范區(qū)間擴大,不穩(wěn)定自由過渡區(qū)間減小。在短路過渡模式下,超聲-GMAW復合焊接的短路過

5、渡頻率顯著提高,在更大電壓范圍內(nèi)保持頻率較高的短路過程。在滴狀過渡模式下,超聲-GMAW復合焊接的熔滴發(fā)生了顯著的變形,在焊絲軸線方向拉長,脫落時呈橢球狀。熔滴尺寸減小,過渡頻率提高,獲得了類似射滴過渡的穩(wěn)定過程。
　　為了更深入理解超聲的作用機理,采用有限元軟件 Comsol對復合焊接過程中的聲場狀態(tài)進行了研究。在發(fā)射端-反射端形式的聲場中,各參量以反射端為起點具有固定的空間分布模式,其中聲輻射力為靜態(tài)場,周期為聲波長的一半。聲

6、壓和振速為時諧場,1s內(nèi)狀態(tài)變化20000次,變化幅值由該點所處空間高度決定,空間分布周期等于聲波長。在GMAW焊接環(huán)境下,聲場分布模式并未發(fā)生顯著變化,但是分布周期略有增大而各參量幅值略有降低。同時,采用靜力平衡理論分析熔滴受力狀態(tài)變化,結(jié)果顯示超聲-GMAW過程中熔滴受到附加力作用,其作用效果、分布特點、量級和變化趨勢都與聲輻射力一致。因此認為聲輻射力是滴狀過渡熔滴尺寸減小的主要原因。
　　利用高速攝像觀察到超聲-GMAW復合