雙絲間接電弧的數(shù)值模擬及與TIG電弧復(fù)合熱源焊接研究.pdf

1、傳統(tǒng)的電弧焊方法焊接過程中電弧在工件和焊絲之間燃燒，工件做為電弧的一極，電弧產(chǎn)生的有效熱量部分用于熔化焊接材料，另一部分用來熔化工件，形成焊接熔池和焊縫。雙絲間接電弧氣體保護焊（以下簡稱雙絲間接電弧焊接）是一種高效、節(jié)能的新型電弧焊方法，該方法中雙絲分別與直流電源的正、負極相連，工件不接電源。電弧在兩根焊絲端部形成，電弧產(chǎn)生的絕大部分熱量用來熔化焊絲，只有很少一部分用來熔化工件，所以該方法具有高效、節(jié)能、熔合比小等優(yōu)點，是一種具有良好應(yīng)

2、用前景的焊接方法。
　　焊接電弧是電弧焊過程中的重要能量來源，電弧溫度、電流密度、等離子體速度以及電磁場等的大小和分布直接決定焊接熱過程，影響電弧產(chǎn)熱在焊絲和工件之間的分配比例、焊絲的熔化速度以及對工件的熱輸入，進而影響焊縫成型、焊接缺陷的形成以及接頭質(zhì)量，對焊接電弧的研究是了解電弧焊本質(zhì)過程的前提。雙絲間接電弧是雙絲間接電弧焊接這種新型焊接方法的熱源，決定了其焊接熱過程。目前對于雙絲間接電弧的研究還處于起步階段，研究雙絲間接電弧

3、對于更好的了解這種新型焊接方法，解明其產(chǎn)熱及熔化機理具有重要的意義，為這種新型焊接方法的進一步開發(fā)、優(yōu)化以及工程實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　焊接電弧是一個高溫等離子體，采用實驗手段對其進行精確觀察測量比較困難，而雙絲間接電弧由于其特殊性更增加了測試和研究的難度，故而有必要借助于現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)對其進行深入地研究和分析。本文基于磁流體動力學(xué)及麥克斯韋方程組建立了雙絲間接電弧的三維1/2有限元數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析軟件對雙絲間接氣體保

4、護焊的焊接電弧進行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明雙絲間接電弧的電弧溫度、電流密度、等離子體速度以及電磁場等電弧參數(shù)的大小和分布呈“弧柱區(qū)上端高，下端低，靠近兩極的弧柱區(qū)部分最高，遠離兩極的弧柱區(qū)上端部分次之，弧柱區(qū)下端部分最低”分布規(guī)律，電弧向陽極一側(cè)偏轉(zhuǎn)，電弧形態(tài)類似于倒立傾斜的”提籃”型。
　　分析了焊接電流、雙絲夾角以及電弧長度對雙絲間接電弧溫度、等離子體速度、電流密度以及電勢在弧柱區(qū)各個區(qū)域的分布以及變化規(guī)律。結(jié)果表明隨著雙絲夾角增

5、大，電弧溫度、等離子體速度以及電流密度在弧柱區(qū)上端增加，在弧柱區(qū)下端降低，其中靠近陽極的弧柱部分增量要大于靠近陰極的弧柱部分，電弧的偏轉(zhuǎn)程度增加;隨著焊接電流增大，電弧的溫度、等離子體速度以及電流密度在整個電弧區(qū)域都增加，其中靠近陰極的弧柱部分和靠近陽極的弧柱部分增量較大，其他部分增量較小，尤其是弧柱區(qū)下端增量最小，電弧電壓和偏轉(zhuǎn)程度增加;隨著電弧長度增加，電弧電壓顯著增加，電弧溫度、等離子體速度以及電流密度增量較小，在靠近陰極的弧柱部

6、分和靠近陽極的弧柱部分的增量遠大于弧柱區(qū)下端;電弧的偏轉(zhuǎn)程度增加。改變焊接電流、雙絲夾角以及電弧長度都不會改變雙絲間接電弧各項電弧參數(shù)“弧柱區(qū)上端高，下端低，靠近兩極的弧柱區(qū)部分最高，遠離兩極的弧柱區(qū)上端部分次之，弧柱區(qū)下端部分最低”的分布趨勢。電弧的溫度，等離子體速度以及電流密度在靠近兩極的弧柱部分始終較大，而在弧柱區(qū)下端始終保持在極低的水平，導(dǎo)致作為電弧兩極的雙絲熔化速度大，而靠近弧柱區(qū)下端的工件熱輸入低。
　　雙絲間接電弧焊

7、接的陰極熔滴和陽極熔滴的過渡軌跡分別偏轉(zhuǎn)，兩列熔滴單獨下落，兩列熔滴的過渡位置距離較遠，陰極熔滴的體積遠大于陰極熔滴，陰極熔滴過渡頻率小于陽極熔滴。熔滴所受的電磁排斥力是熔滴過渡軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)的最主要原因。熔滴脫離焊絲表面后所經(jīng)過電弧區(qū)域電弧溫度較低，電弧對熔滴的加熱作用不明顯，熔滴攜帶的熱量較少。電弧模擬計算結(jié)果和熔滴過渡試驗結(jié)果表明雙絲間接電弧焊接中電弧和熔滴傳遞給工件的熱量較少，這是雙絲間接電弧焊接對工件熱輸入低的主要原因。

8、　　雙絲間接電弧焊接具有熔敷速度大、節(jié)能及熔合比小等優(yōu)點的同時也有其局限性。焊接時易出現(xiàn)焊接接頭熔深、熔寬不足、焊縫不連續(xù)以及焊縫邊緣熔合不良等焊接缺陷，限制了這種新型焊接方法的推廣應(yīng)用。本文研究了上述焊接缺陷的形成過程、原因及消除措施，結(jié)果表明焊接時對工件熱輸入不足，液態(tài)金屬溫度低、流動性差，表面張力大是不連續(xù)焊縫形成的主要原因;焊接過程中熔敷金屬量高而對被焊母材的熱輸入低，所形成的熔池不足以容納液態(tài)金屬，溢出金屬在無法使工件熔化，鋪

9、展困難是造成焊縫邊緣熔合不良的原因。
　　由于其固有的焊接電弧特性及熔滴過渡特點所限，依靠調(diào)整雙絲間接電弧焊接的焊接參數(shù)來提高對被焊工件的熱輸入，消除焊接缺陷有一定的局限性，故采用輔加TIG電弧的方法來增加對工件的熱輸入以改善其焊接缺陷和提高接頭質(zhì)量。
　　輔加TIG電弧后所形成的焊接方法稱為雙絲間接電弧-TIG電弧復(fù)合熱源焊接。TIG電弧的熱輸入可以單獨調(diào)整，故而可以在不改變?nèi)鄯笏俣鹊那疤嵯聦崿F(xiàn)對工件熱輸入的靈活調(diào)整，在保

10、證焊接質(zhì)量的前提下盡量降低焊接熱輸入，既保持了其高效節(jié)能的優(yōu)勢，又克服了其焊接熱輸入不足的局限性。TIG電弧的加入導(dǎo)致雙絲間接電弧焊接的熔滴過渡、電弧穩(wěn)定性、熔池形態(tài)以及焊縫形狀發(fā)生變化，所以研究了雙絲間接電弧-TIG電弧復(fù)合熱源焊接過程中鎢極與雙絲的相對位置、鎢極端部與雙絲交點的距離、TIG焊接電流以及鎢極傾角對雙絲間接電弧焊接的熔滴過渡、電弧穩(wěn)定性、熔池形態(tài)以及焊縫形狀的影響。結(jié)果表明TIG電弧靠近陰極焊絲導(dǎo)致陰極熔滴和陽極熔滴過渡

11、軌跡之間的夾角增大，TIG電弧靠近陽極焊絲導(dǎo)致陰極熔滴和陽極熔滴過渡軌跡之間的夾角減小，陰極熔滴所受TIG電弧的吸引力和陽極熔滴所受TIG電弧的排斥力是造成上述現(xiàn)象的主要原因;TIG電弧能夠通過輻射和熱傳導(dǎo)以及蒸發(fā)的金屬蒸汽來增加雙絲間接電弧等離子體的電導(dǎo)率，進而增加雙絲間接電弧穩(wěn)定性;隨著TIG焊接電流的增大，TIG電弧對雙絲間接電弧的穩(wěn)弧作用越明顯，隨鎢極端部與雙絲交點之間的距離增加，穩(wěn)弧作用降低;焊縫熔寬由TIG電弧和雙絲間接電弧