旁路耦合微束等離子弧焊三維焊接研究.pdf

1、微束等離子弧焊在中厚板的焊接及弧焊三維焊接快速成形方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是焊絲熔化速度較低，影響生產(chǎn)效率。為了提高微束等離子弧焊生產(chǎn)效率及實(shí)現(xiàn)熔化母材熱量與熔化焊絲熱量的解耦控制，本文基于試驗(yàn)研究及旁路耦合電弧的理論，提出旁路耦合微束等離子弧焊(double-electrode micro-plasma arc welding,DE-MPAW)方法，通過理論分析及所做的相關(guān)試驗(yàn)表明所提出的方法的可行性和有效性。
　　本研究主要內(nèi)容

2、包括：⑴根據(jù)旁路耦合微束等離子弧焊的特點(diǎn)及為進(jìn)行試驗(yàn)研究的方便，基于xPC的實(shí)時(shí)目標(biāo)環(huán)境，利用快速控制原型技術(shù)，建立了主要包括快速原型系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、視頻采集系統(tǒng)和熱信號(hào)采集系統(tǒng)的旁路耦合微束等離子弧焊快速原型試驗(yàn)系統(tǒng)。利用建立的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)，研究了部分焊接參數(shù)對(duì)焊縫成形幾何參數(shù)的影響，結(jié)果表明，旁路耦合微束等離子弧焊中，隨焊接總電流的增大，焊縫寬度增加，焊縫高度降低，焊縫寬高比基本呈正比形式逐漸增大；隨焊接速度的增大，焊縫

3、寬度和焊縫高度均減小，焊縫寬高比也逐漸減小且具有與焊縫寬度相似的變化趨勢(shì)；隨送絲速度的增大，焊縫寬度和焊縫高度開始時(shí)以基本相同的速率增大，隨后焊縫寬度幾乎沒有增加，而焊縫高度以比開始時(shí)較小的增加速率逐漸增大，焊縫寬高比一直逐漸較?。浑S離子氣流量的增大，焊縫寬度增大，焊縫高度減小，焊縫寬高比以正比例形式迅速增大；隨旁路電流的增大，焊縫寬度逐漸減小，焊縫高度逐漸增大，焊縫寬高比逐漸減小。⑵在工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用匹配的焊接參數(shù)，通過建立的試

4、驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)旁路耦合微束等離子弧焊的熔敷率、母材熱輸入及焊縫成形質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，旁路耦合微束等離子弧焊既保持了傳統(tǒng)微束等離子弧焊的優(yōu)點(diǎn)，又在提高焊絲熔敷率的同時(shí)降低母材的熱輸入。在其它焊接參數(shù)保持不變時(shí)，隨旁路電流的增加，焊縫的熔深和稀釋率減小，成形系數(shù)增大。⑶焊縫成形質(zhì)量及焊接過程的穩(wěn)定性受熔滴過渡的影響較大，因此對(duì)旁路耦合微束等離子弧焊不同旁路電流、送絲速度和離子氣流量下的熔滴過渡圖像，使用視頻采集系統(tǒng)進(jìn)行了拍攝，采用靜力

5、平衡理論，分析了熔滴所受的主要作用力及不同參數(shù)下熔滴所受作用力的變化情況，并計(jì)算了不同參數(shù)下的熔滴過渡頻率。結(jié)果表明，在旁路耦合微束等離子弧焊過程中，當(dāng)焊接總電流一定時(shí)，隨著旁路電流的增大熔滴過渡頻率呈減小趨勢(shì)，熔滴尺寸隨之增大，旁路電弧對(duì)熔滴過渡起阻礙作用；熔滴過渡頻率隨離子氣流量的增大而增大，隨送絲速度的增大先增大后減??；當(dāng)焊絲在等離子弧邊緣熔化時(shí)，重力是促進(jìn)熔滴過渡的主要作用力，且由于斑點(diǎn)力在水平方向上的分力大于電磁力在水平方向上

6、的分力，熔滴呈排斥過渡；當(dāng)焊絲在等離子弧中心熔化時(shí)，等離子流力是促進(jìn)熔滴過渡的主要作用力。⑷采用旁路耦合微束等離子弧焊在所搭建的三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行三維焊接快速成形試驗(yàn)，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量堆垛層高度，并采用 CCD工業(yè)相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝整個(gè)堆垛過程，分析了中間穩(wěn)定段和收弧位置的熔滴過渡變化及熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)情況，并分析了熔池所受作用力及焊接參數(shù)對(duì)塌陷的影響，結(jié)果表明，采用旁路耦合微束等離子弧焊進(jìn)行三維焊接快速成形過程中，在焊接總電流相同的條件

7、下，隨旁路電流的增大，熔敷層的混層現(xiàn)象逐漸減弱，相鄰層間的分界線越來越明顯；收弧位置塌陷是由熔池中填充金屬不足及熔敷金屬的流淌造成的，而產(chǎn)生的焊瘤加劇了液態(tài)金屬的流淌；并且隨著堆垛層數(shù)的增加，中間穩(wěn)定段與收弧端的高度差越來越大，熔滴不能穩(wěn)定過渡到熔池進(jìn)一步加劇了收弧端的塌陷。熔敷金屬的流淌主要是由等離子流力、重力和電磁力的作用引起的。焊接電流、焊接速度、送絲速度和離子氣流量是影響旁路耦合微束等離子弧焊三維焊接快速成形過程堆垛塌陷的主要因