Plasma-MIG电弧耦合机制及2219铝合金焊接工艺研究

摘要

2219铝合金为Al-Cu系高强铝合金,由于其具有良好的力学性能,是制造火箭贮箱的理想材料之一。针对常规熔化极惰性气体保护焊(MIG)焊接2219铝合金气孔多、焊接接头质量差、焊接效率低等问题,本文以Plasma-MIG复合热源耦合机制及对应的焊接工艺为研究对象,采用实验研究及理论计算的方法,系统的研究复合热源焊接条件下,外层等离子弧与内层MIG弧的相互耦合机理、复合电弧特性、复合电弧光谱诊断、熔滴的受力模型。通过研究揭示了复合电弧空间温度分布规律,复合电弧耦合机理及各参数对于焊缝质量的影响。本研究丰富了复合热源焊接电弧理论,为2219铝合金进行稳定的高效高质量化Plasma-MIG复合焊接提供了实验基础与理论依据。
　　本文根据Plasma-MIG复合电弧焊要求,对焊枪进行了改进。依靠于PLC及人机工程搭建了Plasma-MIG复合电弧焊接控制系统,实现了复合电弧焊接及焊接过程控制。设计了Plasma-MIG复合电弧焊起弧过程控制程序,解决了复合电弧难起弧的问题。
　　本文利用光谱仪、高速摄像CCD、窄带滤光片、中性减光片和透镜建立了电弧光谱图谱同步采集系统,该系统能够准确的获得电弧信息。系统结构简单,具有较高的精度和采集效率。基于Bockasten三次多项式插值方法设计了离散Abel变换算法,通过将水平方向辐射强度信息恢复为径向发射系数信息,从而来获得Plasma-MIG复合电弧全信息,得到了Plasma-MIG复合电弧等温线分布。实验表明:Plasma-MIG复合电弧外层等离子弧由于受到内层MIG弧的影响,中心最高温度发生了偏移,复合电弧温度的最高区域在外层等离子弧区域。外层等离子弧与内层MIG电弧之间存在着一个明显的最低温度,该最低温度为内层MIG弧与外层等离子弧的分界区;Plasma-MIG复合电弧等温线分布趋势为先升高再降低再升高,整个电弧等温线呈中心对称分布;Plasma-MIG复合电弧,外层等离子弧由于受到喷嘴的压缩对于内层MIG弧具有一定的压缩作用。MIG电弧由于电流流入等离子弧,使得MIG弧的热作用减弱,从而降低了内部MIG电弧温度。
　　结合传统MIG焊接熔滴过渡力学理论,进一步分析了外层等离子弧介入所产生的熔滴受力情况的变化,建立了复合热源焊接熔滴过渡的力学物理模型。计算了不同参数下的熔滴受力,结合电弧热作用机理揭示了焊接参数与熔滴受力的内在联系。对熔滴及电弧图像、电参数的进行同步采集,对Plasma-MIG复合电弧焊接过程中的电弧特性、熔滴过渡形式,熔滴受力,复合电弧特性的影响因素,电弧熔池行为进行了系统的分析。与常规MIG焊相比,复合电弧焊接过程更稳定,可实现不同熔滴过渡形式下的无飞溅焊接。
　　本文设计了二次五元回归模型,系统的研究了单一焊接参数及多参数交互作用对接头抗拉强度的影响。分析结果表明:单因素的影响作用均呈现抛物线规律,焊接速度对抗拉强度影响最大,其次为熔化极电压和等离子弧电流,送丝速度对接头抗拉强度的影响最小。焊接参数范围内存在最佳工艺参数之间相互匹配,其中焊接速度和送丝速度的交互作用最强,MIG电压和焊接速度交互作用影响最小,两者为近似独立。通过对二次五元回归模型进行数学处理,优化了2219铝合金Plasma-MIG焊接工艺参数,优化后焊接接头抗拉强度为285MPa(未去除正反面余高),强度系数达到了70.3％。
　　本文系统的研究了2219铝合金在Plasma-MIG焊接下的热循环曲线。分析了五种参数下的高温时间、温度梯度、高温停留时间、过冷度等方面的变化规律。研究了等离子电弧对熔池运动的影响规律:等离子电弧的加入一方面抑制了电弧气氛中氢质子向液态金属溶解,另一方面改变了熔池运动形式,加快了过饱和气体的析出。当焊接参数匹配合理,焊缝中气孔缺陷明显减少,甚至消失。与常规MIG相比,Plasma-MIG复合电弧焊接改善了2219铝合金接头力学性能及焊缝组织。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2铝合金复合热源焊接方法研究现状

1.3 Plasma-MIG焊接技术研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 Plasma-MIG复合电弧实验系统及系统控制

2.1 控制系统及系统平台搭建

2.2 Plasma-MIG焊枪设计

2.3 Plasma-MIG复合电弧起弧控制

2.4 Plasma-MIG复合电弧实验系统

2.5 本章小结

3.2 Plasma-MIG复合电弧特征光谱分析

3.4 Plasma-MIG复合电弧温度场诊断

3.5 本章小结

第4章 Plasma-MIG复合电弧特性研究

4.1 引言

4.2 Plasma-MIG复合电弧特性

4.3 Plasma-MIG复合电弧耦合关系

4.4 Plasma-MIG复合电弧熔滴过渡行为

4.5 Plasma-MIG复合电弧熔滴受力行为

4.6 等离子弧电流对Plasma-MIG熔滴过渡的影响

4.7 Plasma-MIG复合电弧熔池行为

4.8 本章小结

第5章 2219铝合金Plasma-MIG复合焊接工艺优化

5.1通用正交旋转实验设计

5.2 模型建立

5.3 回归模型的统计检验

5.4 实验结果分析

5.5 最优化处理

5.6 本章小结

第6章 2219铝合金焊缝成形及接头性能

6.1 2219铝合金Plasma-MIG复合电弧焊接热循环

6.2 2219铝合金Plasma-MIG复合电弧焊接焊缝成形

6.3 2219铝合金Plasma-MIG复合电弧焊接金相组织分析

6.4 焊接接头力学性能分析

6.5 Plasma-MIG复合电弧焊接接头断裂行为分析

6.6 本章小结

结论

论文创新点

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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致谢

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