纜式焊絲氣保焊電弧行為及熔滴過(guò)渡機(jī)理研究.pdf

1、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的焊接方法之一，其具有優(yōu)質(zhì)高效、生產(chǎn)成本低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)一步提高傳統(tǒng)單絲氣保焊的熔敷效率，一種新型的GMAW焊接方法--纜式焊絲氣保焊應(yīng)運(yùn)而生，其具有高效、節(jié)能、優(yōu)質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)備簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，尤其適合船舶等大型厚板焊接。
　　本文基于 FLUENT對(duì)纜式焊絲氣保焊電弧以及熔滴過(guò)渡行為進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時(shí)開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)焊接電弧及熔滴過(guò)渡進(jìn)行高速攝像拍攝，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)

2、果的準(zhǔn)確性。本研究揭示了纜式焊絲氣保焊的電弧產(chǎn)熱產(chǎn)力機(jī)理、熔滴過(guò)渡動(dòng)態(tài)過(guò)程以及焊接溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)推廣纜式焊絲氣保焊奠定了重要的理論基礎(chǔ)。
　　根據(jù)纜式焊絲接觸電阻的關(guān)系推導(dǎo)出中間絲占總電流的13％，外圍絲占14.5%，其陽(yáng)極區(qū)是由三類(lèi)多極區(qū)耦合而成。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)中的動(dòng)量守恒、能量守恒、質(zhì)量連續(xù)以及麥克斯韋方程組，建立了其電弧的三維數(shù)值模型。分別計(jì)算了400A-600A電流下的電流密度、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力以及電勢(shì)的分布情況

3、。結(jié)果表明：焊接電弧的電流密度、溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、電弧壓力以及電勢(shì)均隨著焊接電流的增大而增加。焊接電流每增大50A，其電弧最高溫度提高約1280-1300K，最大等離子流速提升約37-50m/s。其電弧峰值壓力均出現(xiàn)在陽(yáng)極區(qū)處，陽(yáng)極區(qū)比陰極區(qū)的壓強(qiáng)高約65Pa-90Pa。結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，焊接過(guò)程中電弧陽(yáng)極區(qū)會(huì)降壓2-4V，陰極區(qū)降壓約15V。計(jì)算了15-35L/min氣流量下纜式焊絲氣保焊電弧的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)以及電弧壓力的變化情況。氣流量每

4、增大10L/min，焊接電弧的等離子流速提升21%-29%，陽(yáng)極區(qū)的最大壓力約增大100Pa-122Pa，電弧壓力在工件表面附近的峰值壓力約增大50Pa-55Pa，其作用范圍半徑增大約1.7mm-2mm。結(jié)合計(jì)算與高速攝像試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，纜式焊絲陽(yáng)極區(qū)由7個(gè)小陽(yáng)極區(qū)共同構(gòu)成，焊絲頂端電弧是多由個(gè)小弧耦合形成，隨焊接電弧向工件運(yùn)動(dòng)，小弧直徑膨脹，從而耦合成一個(gè)大電弧，大電弧作用于工件及熔池。通過(guò)本研究，獲得了纜式焊絲氣保焊電弧的物理特性，為

5、后續(xù)研究及推廣生產(chǎn)應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
　　基于 VOF法建立了纜式焊絲氣保焊的三維熔滴過(guò)渡數(shù)值模型，闡述了熔滴模型的控制方程、熔滴受力以及模型求解。本文通過(guò)高速攝像試驗(yàn)驗(yàn)證與計(jì)算相結(jié)合的方法研究了400A-500A焊接電流下的熔滴過(guò)渡形式。結(jié)果表明，隨著焊接參數(shù)的增大，纜式焊絲氣體保護(hù)焊的熔滴尺寸減小，過(guò)渡頻率顯著增加。焊接電流每增大50A，其熔滴直徑分別下降9%以及41%，相對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果分別下降11%以及43%，其過(guò)渡頻率分

6、別為32Hz、47Hz以及70Hz，相對(duì)應(yīng)計(jì)算得出的過(guò)渡頻率分別為40Hz、58Hz以及78Hz，熔滴過(guò)渡方式也由排斥過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒過(guò)渡，繼而向射滴過(guò)渡轉(zhuǎn)變。對(duì)比計(jì)算與高速攝像試驗(yàn)結(jié)果，熔滴的尺寸與過(guò)渡頻率吻合良好。
　　利用熱成像儀設(shè)備，對(duì)焊后工件表面溫度分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，焊接電流電壓的增大對(duì)焊后工件表面溫度影響不大。但焊接電流每增大50A，其熔寬相應(yīng)增加1.5mm、2.5mm以及3.0mm。隨著焊后冷卻時(shí)間的增加，工件