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，依靠其自身獨特的焊接過程不僅能夠實現(xiàn)高速焊接而且還可以通過調節(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焊接效率以及母材熱輸入有嚴格要求的場合具有廣泛的應用前景。本課題針對旁路耦合電弧焊過程中的熱物理現(xiàn)象，主要進行了以下幾個方面的研究工作。
　　 首先，針對旁路耦合電弧現(xiàn)象，研究其耦合機理，建立旁路耦合電弧的數(shù)學模型以及有限元模型。使用全耦合法對模型進行求解，獲得不同焊接參數(shù)下旁

2、路耦合電弧內部的溫度場、流場以及電磁場分布情況，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)對旁路耦合電弧的影響規(guī)律。結果表明：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。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，導致通過電弧底面的電流密度明顯減小。
　　 其次，針對旁路耦合電弧焊的特點，在已有研究的基礎上提出一種新的復合熱源模型。并使用該熱源模型建立旁路耦合電弧焊工件的溫度場模型，研究旁路耦合電弧焊調節(jié)母材熱輸入的過程和機理，并通過試驗驗證所建立的模型的合理性。結果表明：a)在焊接總電流不變的基礎上，焊縫的熔深以及母材

4、的熱輸入會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)工件背面三個特征點焊接熱循環(huán)曲線的模擬結果與試驗結果基本一致，表明根據旁路耦合電弧焊特點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模型，并進一步結合鋁鋼界面原子擴散動力學模型建立焊接參數(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以及金屬間化合物層的生長情況。并且分別對鋁鋼異種金屬焊接溫度場模型和鋁鋼界面原子擴散模型進行了試驗驗證。結果表明：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散反應區(qū)域的溫度隨之下降，鋁鋼界面擴散反應時間也會隨之縮短。對溫度場模型的試驗驗證表明，工件背面B點的焊接熱循環(huán)曲線的測量結果與相應點的模擬結果基本一致。b)當焊接總電流增大時，液態(tài)鋁原子的擴散系數(shù)明顯增大。而在焊接總電流不變的前提下增加旁