旁路耦合電弧焊熱物理過程研究.pdf

1、旁路耦合電弧焊作為一種新型的高效焊接方法，依靠其自身獨(dú)特的焊接過程不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速焊接而且還可以通過調(diào)節(jié)旁路電流來控制母材的熱輸入。因此旁路耦合電弧焊在對(duì)焊接效率以及母材熱輸入有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。本課題針對(duì)旁路耦合電弧焊過程中的熱物理現(xiàn)象，主要進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究工作。
　　 首先，針對(duì)旁路耦合電弧現(xiàn)象，研究其耦合機(jī)理，建立旁路耦合電弧的數(shù)學(xué)模型以及有限元模型。使用全耦合法對(duì)模型進(jìn)行求解，獲得不同焊接參數(shù)下旁

2、路耦合電弧內(nèi)部的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)以及電磁場(chǎng)分布情況，并比較旁路耦合電弧與普通TIG電弧的區(qū)別，分析焊接參數(shù)對(duì)旁路耦合電弧的影響規(guī)律。結(jié)果表明：a)在焊接總電流相同的前提下，隨著旁路電流的增加，旁路耦合電弧下半部分的能量隨之減少，更多的熱量消耗在電弧上半部分和旁路電極上，因此電弧底面上的溫度也隨之降低。b)旁路耦合電弧內(nèi)部的高壓區(qū)域主要分布在電極下方和電弧底面附近，其中電極下方具有最大的電弧壓力值和電弧壓力梯度。電弧底面上的電弧壓力隨旁路電流

3、的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。c)在總電流相同的前提下，隨著旁路電流的增加，越來越多的電流被旁路電弧分流而并未流入母材，導(dǎo)致通過電弧底面的電流密度明顯減小。
　　 其次，針對(duì)旁路耦合電弧焊的特點(diǎn)，在已有研究的基礎(chǔ)上提出一種新的復(fù)合熱源模型。并使用該熱源模型建立旁路耦合電弧焊工件的溫度場(chǎng)模型，研究旁路耦合電弧焊調(diào)節(jié)母材熱輸入的過程和機(jī)理，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證所建立的模型的合理性。結(jié)果表明：a)在焊接總電流不變的基礎(chǔ)上，焊縫的熔深以及母材

4、的熱輸入會(huì)隨著旁路電流的增加而降低，并且越靠近焊縫母材熱輸入的降幅越大。b)工件背面三個(gè)特征點(diǎn)焊接熱循環(huán)曲線的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，表明根據(jù)旁路耦合電弧焊特點(diǎn)所提出的熱源模型能夠正確反映焊接參數(shù)與母材熱輸入之間的關(guān)系。
　　 最后，利用上述所建立的旁路耦合電弧焊熱源模型和工件的溫度場(chǎng)模型，并進(jìn)一步結(jié)合鋁鋼界面原子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型建立焊接參數(shù)-母材熱輸入.鋁鋼界面處金屬間化合物層厚度的統(tǒng)一模型，使用該統(tǒng)一模型研究不同焊接參數(shù)下

5、鋁鋼界面上的溫度場(chǎng)以及金屬間化合物層的生長(zhǎng)情況。并且分別對(duì)鋁鋼異種金屬焊接溫度場(chǎng)模型和鋁鋼界面原子擴(kuò)散模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：a)在焊接總電流相同的前提下，隨著旁路電流的增加，母材的熱輸入以及擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)域的溫度隨之下降，鋁鋼界面擴(kuò)散反應(yīng)時(shí)間也會(huì)隨之縮短。對(duì)溫度場(chǎng)模型的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，工件背面B點(diǎn)的焊接熱循環(huán)曲線的測(cè)量結(jié)果與相應(yīng)點(diǎn)的模擬結(jié)果基本一致。b)當(dāng)焊接總電流增大時(shí)，液態(tài)鋁原子的擴(kuò)散系數(shù)明顯增大。而在焊接總電流不變的前提下增加旁