本文選題：P-GMAW　切入點：熱慣性　出處：《上海交通大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：脈沖熔化極氣體保護焊(Pulsed current gas metal arc welding,簡稱PGMAW)熱輸入量小、焊接變形小、生產率高,被廣泛應用于鋁合金、高強鋼等薄板及熱敏感性材料的焊接生產中。然而,P-GMAW過程參數較多,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)變化機理至今仍未被完全掌握。本文以數值模擬為主要研究手段,結合實驗觀察,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(Gas metal 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象及機理�；谠撃Ｐ�,所獲得的研究結果如下: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程穩(wěn)定性的影響機理。結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。結果表明電弧壓力是熔池振蕩的關鍵因素。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的指數型脈沖電流,脈沖峰值電弧壓力為基值電弧壓力的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弧弧柱。電弧溫度的降低大大減少了焊接熱輸入,并且隨著焊接電流的增大金屬蒸氣的作用更加明顯,且發(fā)現鋁合金GMAW焊接金屬蒸氣對熱輸入的降低可達20%~30%。
[Abstract]:P-GMAW (Pulsed current gas metal arc welding, referred to as PGMAW) small amount of heat input, small welding deformation, high productivity, is widely used in Aluminum Alloy, welding production of high strength steel sheet and heat sensitive materials. However, more P-GMAW process parameters in the process of welding arc and weld pool so, droplet interaction processes, electric field, magnetic field, temperature field, flow field coupling, fast changing and pulse current to the influence of welding arc and welding pool behavior, multi physical process, the complex process of multi factor coupling mechanism of the dynamic process of P-GMAW has not yet completely understood. Based on numerical simulation as the main research method, combined with the experimental observation, the welding arc behavior of coupling effect of P-GMAW in the process of multi factors, clarify the pulsed arc discharge plasma thermal inertia effects on stability of arc welding machine and process Daniel. Observation and analysis of the pulsed arc and weld pool dynamic behavior based on periodic variation of arc on weld pool oscillation mechanism. At the same time analyzed the metal vapor of GMAW (Gas metal arc welding, referred to as GMAW) in order to reveal the influence of arc characteristics, the arc and metal vapor welding pool behavior influence mechanism. Based on the comprehensive consideration of welding arc and weld pool fluid flow, weld pool surface deformation, metal evaporation and droplet and arc, the coupling interaction between the weld pool, the self convergent numerical model is established for describing 3D dynamic P-GMAW of welding arc and welding pool behavior and arc. Based on the experimental profile, temperature field, forming and welding voltage, the reliability of the model was verified. The results indicated that the model can simulate the welding process of the P-GMAW, in order to reveal the process of complex physical phenomena and mechanism. In this model, the results of the study are as follows: through the analysis of P-GMAW welding current decreased the thermal inertia and arc characteristics in the process of research, the thermal inertia influence mechanism on the stability of the welding process. The results show that the thermal inertia mainly by increasing the arc welding, arc - welding pool surface temperature field, to achieve the stability of arc improve the conductivity of the arc. The thermal inertia in the welding arc region there are two high value areas, located in a wire just below, one in the molten pool is above the maximum value increased with the decrease of welding current speed increases. The effect of stabilizing arc thermal inertia has a critical value, the current decline rate is the heat inertia effect is more obvious, the pulse peak current to the given 220 A base value index type current 90 A pulse current, when the welding current rate of decline is greater than 260 A? MS-1, thermal inertia can significantly improve the arc temperature and welding The process of stability. To study the dynamic behavior of P-GMAW pulse arc, and the weld pool oscillation mechanism. The results show that the arc pressure is the periodic change of.P-GMAW key factors of weld pool oscillation of the welding arc shape, arc pressure variation makes the heat input and the effect on the weld pool surface, different degree of deformation of weld pool surface happen, resulting in weld pool oscillation amplitude depends on the weld pool. The peak current and base current difference, and increased with the increase of pulse peak current pulse peak current. For the given base value 220 A, 90 A power exponential flow pulse current, pulse peak arc pressure 6 times as the base the value of arc pressure, weld pool oscillation amplitude is 0.8 mm. analysis of the different current conditions, the distribution of metal vapor GMAW welding process and the influence of heat input on the arc characteristics and weld pool behavior. The results showed that Welding metal vapor arc mainly comes from the end of wire metal evaporation, the evaporation rate is 12 times higher than the surface of the molten pool of metal evaporation rate, so the metal vapor concentration distribution in the peripheral end of the wire and the center of the welding arc and the welding current is large, the distribution is more concentrated. The metal vapor reduced ohmic heat welding the increase of arc, arc radiation heat loss, thereby reducing the temperature of the arc center, the welding current is more uniform by the arc column. To reduce the arc temperature and reduces the welding heat input, and with the increase of welding current of metal vapor effect is more apparent, and found Aluminum Alloy GMAW welding of metal vapor the heat input decreased up to 20%~30%.

【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG457.14

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本文編號：1625224