预热温度对GMAW焊丝端部热量传输和熔滴过渡影响研究

摘要

GMAW(Gas Metal Arc Welding)是当前生产中应用最广泛的焊接工艺，所以对新型工艺特别是优质的高效化 GMAW工艺是长久以来的研究热点。本文提出了预热焊丝 GMAW新工艺。此工艺是通过预热固体焊丝，实现在相同焊接电流下显著增加熔敷率，却不增加母材热输入；在相同送丝速度下，熔化相同的固体焊丝，但可以减少母材热输入。另外，焊丝端部热量传输和熔滴过渡是GMAW重要的物理现象，固体焊丝温度对这两者的影响尚未有研究报道。本文采用 TIG辅助电弧预热焊丝，定义 GMAW焊枪导电嘴下端面焊丝位置的温度为焊丝预热温度。通过调节TIG电流，改变焊丝预热温度，研究预热温度对焊丝热量传输和熔滴过渡的影响规律。
　　首先，本文建立了TIG电弧预热焊丝 GMAW焊接系统。根据预热焊丝GMAW工艺特点，设计了TIG电弧预热焊丝专用焊枪机构，能够保证稳定送丝条件下有效预热焊丝。建立了高速摄像、焊接电流电信采集和红外测温等实验平台和测量系统。
　　研究了TIG预热电弧对持续送进焊丝的加热效果。测量在不同预热电流及送丝速度下的焊丝预热温度变化，分析了焊丝预热温度对送丝稳定性的影响，确定了预热电流——送丝速度匹配区间。建立了TIG预热电弧回路对焊丝的热输入模型，可以较好的预测给定预热电流和送丝速度下的焊丝预热温度。通过实验测量和理论计算研究了预热温度对焊丝干伸长段温度场和电压降的影响，以及在此条件下焊接电流和电弧弧长的动态变化规律。
　　热传导和对流传热是焊丝端部热量传输的主要形式，电阻产热和电弧产热是焊丝熔化能量的主要来源。TIG电弧预热能量是预热焊丝GMAW工艺焊丝熔化新的能量来源。通过对热量传输过程中无量纲常数的计算，定性分析了焊丝预热温度对焊丝端部能量传输和熔滴温度的影响规律。通过实验测量和计算，得到实际焊接过程中，焊丝熔化能量来源和各部分能量随焊丝预热温度的变化规律。从焊丝熔化能量分配的角度，计算了不同预热温度下的熔滴温度。计算结果表明，不管是在相同送丝速度下还是同等焊接电流条件下，随着预热温度的升高，熔滴温度下降。利用红外测温仪，测量了熔滴温度，验证了计算结果。熔滴温度降低也说明电弧热更多用于熔化焊丝，焊丝熔化效率有所提升。
　　本文使用两种直径的焊丝进行焊接实验。1.2mm直径焊丝采用恒压源配备等速送丝系统；直径为3.2mm焊丝采用恒流源配备变速送丝系统。在不同焊接系统下，研究了焊丝预热温度对GMAW熔滴过渡的影响规律。使用恒压源等速送丝系统，分别在小电流区间，喷射临界电流区间和大电流区间，从等送丝速度和等平均焊接电流两个条件下，分析了熔滴过渡随预热温度的变化规律。预热焊丝改善了小电流区间混合熔滴过渡的稳定性，熔滴过渡由不规则的大滴和射流混合过渡向均匀稳定的细颗粒或射滴过渡转变。在同等焊接电流下，预热焊丝可以显著促进熔滴过渡，预热焊丝温度温度越高，熔滴频率越快，熔滴尺寸越小，喷射过渡临界电流显著降低。使用恒流源变速送丝系统，调节焊接参数，在短路过渡，大滴过渡和射流过渡区间，研究了预热温度对粗丝大电流熔滴过渡的影响规律。研究表明，预热焊丝以后，粗丝短路过渡飞溅明显减少，焊接稳定性提高。在同等焊接电流下，熔滴尺寸变小，过渡频率增加。综合不同焊丝直径，不同焊接系统熔滴过渡随预热温度的变化，从电弧形态和熔滴受力两个方面，分析预热焊丝促进熔滴过渡的内在机理。
　　最后，实验验证了预热焊丝 GMAW焊接工艺优势。在恒定焊接电流下，提高焊丝预热温度可以获得高熔敷率，提高焊接效率。在同样送丝速度下，焊丝预热温度的升高可以降低焊接电流，降低母材热输入，在焊接薄板或对热输入敏感的材料有可预见的优势。在高速焊接实验中，提高焊丝预热温度可以有效抑制咬边和驼峰焊道等焊接缺陷的产生。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 GMAW工艺研究现状

1.3 GMAW工艺焊丝熔化研究现状

1.4 GMAW工艺熔滴过渡研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 焊接试验系统和实验方法

2.1 引言

2.2 预热焊丝GMAW工艺

2.3 焊接实验系统

2.4 熔滴过渡图像以及电流电压采集系统

2.5 焊丝温度测温系统

2.6 实验材料和方法

2.7 本章小结

第3章 焊丝预热对焊丝温度场的影响

3.1 引言

3.2 电弧加热焊丝特点

3.3 电弧预热焊丝温度

3.4 预热温度对焊丝温度场和电压降的影响

3.5 本章小结

第4章 预热温度对焊丝端部热量传输影响研究

4.1 引言

4.2 焊丝端部热量传输机制分析

4.3 传热无量纲常数分析

4.4 焊丝熔化能量来源分析

4.5 预热温度对熔滴温度影响机理分析

4.6 本章小结

第5章 焊丝温度对GMAW熔滴过渡影响研究

5.1 引言

5.2 预热细丝熔滴过渡变化

5.3 预热粗丝熔滴过渡变化

5.4 焊丝温度影响熔滴过渡的机理

5.5 本章小结

第6章 预热焊丝GMAW工艺性研究

6.1 引言

6.2 预热焊丝GMAW工艺特点

6.3 焊丝预热温度对电弧压力和熔滴冲击力的影响

6.4 高速焊实验

6.5 本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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