纜式焊絲氣保焊電弧行為及熔滴過渡機理研究.pdf

1、熔化極氣體保護焊（GMAW）是當前應用最廣泛的焊接方法之一，其具有優(yōu)質高效、生產成本低、自動化程度高等優(yōu)點。為進一步提高傳統(tǒng)單絲氣保焊的熔敷效率，一種新型的GMAW焊接方法--纜式焊絲氣保焊應運而生，其具有高效、節(jié)能、優(yōu)質等優(yōu)點，其設備簡單、易實現(xiàn)焊接自動化，尤其適合船舶等大型厚板焊接。
　　本文基于 FLUENT對纜式焊絲氣保焊電弧以及熔滴過渡行為進行了數值模擬，同時開展驗證試驗對焊接電弧及熔滴過渡進行高速攝像拍攝，驗證了計算結

2、果的準確性。本研究揭示了纜式焊絲氣保焊的電弧產熱產力機理、熔滴過渡動態(tài)過程以及焊接溫度場的分布規(guī)律，對推廣纜式焊絲氣保焊奠定了重要的理論基礎。
　　根據纜式焊絲接觸電阻的關系推導出中間絲占總電流的13％，外圍絲占14.5%，其陽極區(qū)是由三類多極區(qū)耦合而成。根據流體動力學中的動量守恒、能量守恒、質量連續(xù)以及麥克斯韋方程組，建立了其電弧的三維數值模型。分別計算了400A-600A電流下的電流密度、溫度場、速度場、壓力以及電勢的分布情況

3、。結果表明：焊接電弧的電流密度、溫度場、速度場、電弧壓力以及電勢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)在陽極區(qū)處，陽極區(qū)比陰極區(qū)的壓強高約65Pa-90Pa。結合實測數據，焊接過程中電弧陽極區(qū)會降壓2-4V，陰極區(qū)降壓約15V。計算了15-35L/min氣流量下纜式焊絲氣保焊電弧的溫度場、速度場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。結合計算與高速攝像試驗結果發(fā)現(xiàn)，纜式焊絲陽極區(qū)由7個小陽極區(qū)共同構成，焊絲頂端電弧是多由個小弧耦合形成，隨焊接電弧向工件運動，小弧直徑膨脹，從而耦合成一個大電弧，大電弧作用于工件及熔池。通過本研究，獲得了纜式焊絲氣保焊電弧的物理特性，為

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

6、別為32Hz、47Hz以及70Hz，相對應計算得出的過渡頻率分別為40Hz、58Hz以及78Hz，熔滴過渡方式也由排斥過渡轉變?yōu)轭w粒過渡，繼而向射滴過渡轉變。對比計算與高速攝像試驗結果，熔滴的尺寸與過渡頻率吻合良好。
　　利用熱成像儀設備，對焊后工件表面溫度分布進行了分析。結果表明，焊接電流電壓的增大對焊后工件表面溫度影響不大。但焊接電流每增大50A，其熔寬相應增加1.5mm、2.5mm以及3.0mm。隨著焊后冷卻時間的增加，工件