鋁合金P-GMAW電弧-熔池多因素耦合行為及機制.pdf

1、脈沖熔化極氣體保護焊（Pulsed current gas metal arc welding，簡稱P-GMAW）熱輸入量小、焊接變形小、生產(chǎn)率高，被廣泛應(yīng)用于鋁合金、高強鋼等薄板及熱敏感性材料的焊接生產(chǎn)中。然而，P-GMAW過程參數(shù)較多，焊接過程中電弧、熔池、熔滴過渡等多物理過程相互作用，電場、磁場、溫度場、流場等相互耦合，且脈沖電流的快速變化給電弧及熔池行為帶來影響，多物理過程、多因素耦合的復雜過程使得P-GMAW過程動態(tài)變化機理至

2、今仍未被完全掌握。本文以數(shù)值模擬為主要研究手段，結(jié)合實驗觀察，研究P-GMAW過程中多因素耦合作用下焊接電弧行為，闡明脈沖電弧等離子體熱慣性對焊接電弧及過程穩(wěn)定性的影響機理?；趯γ}沖電弧及熔池動態(tài)行為的觀察和分析，以研究周期性變化的電弧對熔池振蕩行為的作用機制。同時分析了金屬蒸氣對熔化極氣體保護焊（Gasmetal arc welding,簡稱GMAW）電弧特征的影響，以揭示金屬蒸氣對焊接電弧及熔池行為的影響機制。
　　本文在綜

3、合考慮焊絲、電弧、熔池流體流動、熔池表面變形、金屬蒸發(fā)以及熔滴與電弧、熔池之間的相互耦合作用下，建立了適合于描述P-GMAW電弧及熔池行為的三維動態(tài)自收斂數(shù)值模型。并基于實驗所得的電弧輪廓、溫度場、電壓及焊縫成形，驗證了模型的可靠性。表明該模型能較好地模擬P-GMAW焊接過程，以揭示該過程中復雜的物理現(xiàn)象及機理?；谠撃Ｐ停@得的研究結(jié)果如下：
　　通過P-GMAW焊接電流下降過程中的熱慣性及電弧特征的分析，研究了熱慣性對焊接過

4、程穩(wěn)定性的影響機理。結(jié)果表明熱慣性主要通過增加電弧-焊絲、電弧-熔池界面處的溫度，提高電弧的導電性來實現(xiàn)穩(wěn)弧作用。熱慣性在焊接電弧區(qū)域存在兩個高值區(qū)，一個位于焊絲的正下方，一個位于熔池的正上方，其最大值隨著焊接電流下降速度的提高而升高。熱慣性的穩(wěn)弧作用存在臨界值，電流下降速度越大熱慣性作用越明顯，對于本文給定的脈沖峰值電流220 A、基值電流90 A的指數(shù)型脈沖電流，當焊接電流下降速度大于260 A·ms-1，熱慣性可顯著提高電弧溫度及

5、焊接過程穩(wěn)定性。
　　研究了 P-GMAW脈沖電弧的動態(tài)行為，以及其對熔池振蕩的作用機制。結(jié)果表明電弧壓力是熔池振蕩的關(guān)鍵因素。P-GMAW焊接電弧形貌的周期性變化，使得熱輸入及作用于熔池表面的電弧壓力交替變化，熔池表面發(fā)生不同程度的變形，最終導致熔池振蕩。熔池的振幅取決于脈沖峰值電流及基值電流的差值，且隨著脈沖峰值電流的增加而增加。對于本文給定的脈沖峰值電流220 A、基值電流90 A的指數(shù)型脈沖電流，脈沖峰值電弧壓力為基值電弧

6、壓力的6倍，熔池振蕩幅度為0.8 mm。
　　分析了不同電流條件下，GMAW焊接過程中金屬蒸氣的分布及其對電弧特征、熱輸入及熔池行為的影響。結(jié)果表明焊接電弧中的金屬蒸氣主要來源于焊絲端部金屬的蒸發(fā)，其蒸發(fā)率高于熔池表面金屬蒸發(fā)率的12倍，因而金屬蒸氣集中分布在焊絲端部的周圍及焊接電弧的中心，并且焊接電流越大，分布越集中。金屬蒸氣降低了焊接電弧的歐姆熱，增加了電弧輻射熱損失，從而降低了焊接電弧中心的溫度，使得焊接電流更加均勻的通過電