基于脈沖激光與電弧力調控的GMAW熔滴過渡主動控制.pdf

1、本文旨在實現熔滴過渡與焊接電流的解耦，在小電流區(qū)間內乃至任意燃弧電流下獲得穩(wěn)定可控的射滴過渡或細顆粒過渡，從根本上提高小電流GMAW(Gas Metal Arc Welding，熔化極氣體保護焊)過程穩(wěn)定性和焊接質量，擴展 GMAW可焊電流區(qū)間和應用范圍。為實現這一目標，本文提出了采用脈沖激光和電弧力調控相結合控制熔滴過渡的新方法：(1)脈沖激光照射熔滴產生蒸發(fā)反沖力促進熔滴過渡，理論上激光功率足夠大時，僅依靠蒸發(fā)反力就足以使熔滴脫離焊

2、絲，實現熔滴過渡與焊接電流的完全解耦；(2)調制焊接電流波形動態(tài)控制熔滴所受電弧力可以激發(fā)熔滴振蕩，利用熔滴振蕩過程中的慣性力促進熔滴過渡。把兩者相結合，可以根據焊接過程的具體需求自由匹配激光峰值功率與熔滴振蕩強度，有效降低激光脈沖峰值功率。
　　本文建立了集成脈沖光纖激光器的GMAW實驗系統(tǒng)，首先對激光控制GMAW熔滴過渡進行了實驗研究。觀測了液態(tài)熔滴在激光照射下的局部蒸發(fā)現象，分析了熔滴局部受激蒸發(fā)的基本規(guī)律。小電流區(qū)間內脈沖

3、激光控制熔滴過渡實驗表明脈沖激光照射熔滴可以顯著促進熔滴過渡。對于0.8 mm直徑低碳鋼焊絲，使用1200 W/5 ms的激光脈沖即可保證在任意電流下擊落熔滴獲得穩(wěn)定的細顆粒過度或射滴過渡，即實現了熔滴過渡與焊接電流的解耦。分析了激光控制過程各工作參數對熔滴過渡的影響規(guī)律，確定了激光入射位置、入射角度，峰值功率等參數的最優(yōu)取值。根據相關理論模型分析了脈沖激光與液態(tài)熔滴的力熱交互機制，研究了激光對熔滴表面張力的影響規(guī)律，揭示了激光促進熔滴

4、過渡的物理本質。
　　其次對基于電弧力調控的熔滴主動激振技術進行了深入的實驗研究和理論分析。在對原始熔滴激振技術進行深入分析的基礎上，設計了一種新的最優(yōu)復合脈沖電流波形，可以有效降低平均電流，同時顯著增強熔滴振蕩。一個完整電流波形周期由熔滴生長脈沖，激振脈沖和脫離脈沖組成。熔滴在峰值較低的生長脈沖期間逐漸長大，在峰值略高的激振脈沖期間被相對較大的電弧力向熔池方向拉伸，在激振脈沖下降沿電弧力急劇減小，熔滴在表面張力作用下朝焊絲回彈并

5、開始振蕩。選擇合適的脫離脈沖延時(脫離脈沖與激振脈沖之間的基值時間)，使脫離脈沖與熔滴在振蕩中向熔池方向的運動同步(相位匹配)，即可有效利用熔滴動量促進熔滴過渡，降低所需的脫離峰值電流。實驗研究了各波形參數對熔滴振蕩和脫離行為的影響規(guī)律，確立了相應參數的最優(yōu)取值。通過測試最低有效脫離峰值電流，驗證了熔滴振蕩對熔滴過渡的促進作用?；凇百|量—彈簧”模型對熔滴激振及脫離行為進行了理論分析，揭示了熔滴激振的物理機制，解釋了電流波形參數對熔滴振

6、蕩及脫離行為的影響規(guī)律。
　　在以上研究的基礎上對GMAW熔滴過渡脈沖激光—電弧力調控復合控制過程進行了研究。結果表明，把基于電弧力調控的熔滴激振技術應用到激光控制熔滴過渡過程，可以顯著降低所需的脈沖激光峰值功率。分析了激光脈沖與熔滴振蕩之間的相位匹配關系對熔滴過渡的影響。最后，嘗試把脈沖激光—電弧力調控復合控制思想應用到CO2氣體保護焊接過程，即適時降低焊接電流以減小阻礙熔滴過渡的電弧排斥力，使熔滴由排斥狀態(tài)回落至軸向垂順狀態(tài)，