高速GMAW焊缝咬边缺陷形成机理及其抑制措施的研究

摘要

作为先进制造技术的重要组成部分，焊接工艺对装备制造业产品的最终质量和生产效率有着举足轻重的影响，已成为企业提高核心竞争力的重要因素。目前，熔化极气体保护焊(GMAW)因成本低、易操作和适应性强，在各类焊接工艺方法的应用中居于主导地位。提高GMAW焊接速度是提高焊接生产率的重要途径。然而，焊接速度的提高会引起焊缝成形变差，首先出现焊缝咬边缺陷。咬边缺陷不仅能在缺口处引起应力腐蚀裂纹和应力集中裂纹，严重影响接头承受动载荷的能力，而且当焊接速度进一步提高时还诱发驼峰缺陷，严重制约着该工艺在实际生产中的应用。因此，研究并揭示高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理，进而提出有效抑制措施，并在此基础上针对性改进常规GMAW工艺，实现高适应性而低成本的高速GMAW焊接，这对于大幅度提高GMAW焊接生产效率具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　本课题搭建了电弧形态、熔滴过渡、熔池表面温度场及液态金属流态视觉检测平台，考察了不同焊接工艺条件下电弧和熔滴在熔池表面的热-力分布特征，深入研究了高速GMAW熔池内液态金属的温度分布、受力状态和流动情况及其对焊缝成形的影响。提取相关特征参数，建立了高速GMAW三维瞬态熔池流体动力学与传热过程的数值模型，定量分析了熔池金属横/纵向受力（电弧力、电磁力、流体动压力、表面张力、熔滴冲击力等）对熔池表面变形、温度场特征和液态金属流态的影响。建立了“焊接工艺参数-熔池受热/受力状态-熔池行为-咬边倾向”之间的关系，从三维熔池形态与受热/受力特征的角度，揭示了高速GMAW焊缝咬边缺陷的产生机制及主要影响因素。基于上述研究，采用小电流TIG电弧有针对性地调控GMAW焊接过程电弧和熔滴的热-力分布，改善液态金属受热/受力和流动状态，抑制高速GMAW咬边缺陷的产生倾向。
　　通过实验测试、数值分析和实验验证相结合的方法，对GMAW焊接过程进行了系统分析，实验结果表明咬边缺陷产生倾向主要取决于熔池前部液态金属纵、横向流动行为，当纵向/横向平均流动速度的比值大于临界值(2.0)时，焊缝产生咬边缺陷。数值分析发现，大电流高速焊时，在电弧压力和剪切力的作用下，电弧下方形成液态金属薄层，该液态金属薄层促使熔滴冲击转化为液态金属后向流动，导致高温填充金属在熔池尾部堆积。同时，焊趾处液态金属薄层在电弧中心后方迅速凝固，阻碍后续液态金属横向铺展、填充焊趾，诱发咬边缺陷。TIG-MIG复合焊时，TIG电弧显著减弱了耦合电弧力和熔滴冲击力，降低了液态金属后向流动速度，利于液态金属横向铺展，有效抑制咬边缺陷，大幅度提高了焊接速度。

目录

声明

摘要

1．1 选题意义

1．2 高速焊咬边缺陷形成机理

1．2．1 经验模型

1．2．2 解析模型

1．2．3 数值模型

1．3 高速焊接技术的研究现状

1．3．1 多元混合保护气

1．3．2 电源波形控制

1．3．3 复合热源焊接

1．3．4 磁控焊接技术

1．4 目前研究存在的问题

1．5 本文的主要研究内容

第2章 焊接过程信息采集系统

2．1 电参数、电弧形态和熔滴过渡

2．2 熔池上表面温度场

2．3 熔池上表面流场

2．3．1 图像采集

2．3．2 流动示踪

2．3．3 三维坐标恢复

2．3．4 误差分析

2．4 本章小结

第3章 焊接参数对咬边缺陷的影响机制

3．1 实验方案及理论依据

3．1．1 焊接工艺参数及材料

3．1．2 熔池受热状态

3．1．2 熔池受力状态

3．2 焊接速度对咬边缺陷的影响机制

3．2．1 焊接速度对熔池温度场及咬边缺陷的影响

3．2．2 焊接速度对熔池流场及咬边缺陷的影响

3．3 焊接电流对咬边缺陷的影响机制

3．3．1 焊接电流对熔池温度场及咬边缺陷的影响

3．3．2 焊接电流对熔池流场及咬边缺陷的影响

3．4 保护气成分对咬边缺陷的影响机制

3．4．1 保护气成分对熔池温度场及咬边缺陷的影响

3．4．2 保护气成分对熔池流场及咬边缺陷的影响

3．5 “焊接工艺参数-熔池受热／受力状态-熔池行为-咬边倾向”的关系

3．6 本章小结

第4章 GMAW数值模拟

4．1 GMAW瞬态数值模型

4．1．1 简化与假设

4．1．2 计算几何模型及网格划分

4．1．3 控制方程组

4．1．4 电弧热源模型

4．1．5 电弧压力、剪切力和电磁力模型

4．1．6 熔滴过渡模型

4．1．7 初始条件及边界条件

4．1．8 材料物性参数及焊接工艺条件

4．1．9 数值算法

4．2 熔池受热／受力状态

4．2．1 电弧热分布

4．2．2 电弧压力

4．2．3 电弧剪切力

4．2．4 电磁力

4．2．5 熔滴过渡

4．3 高速焊熔池行为及咬边缺陷形成机理

4．3．1 熔池形态及温度分布

4．3．2 熔池流态及流场分布

4．3．3 焊缝咬边缺陷

4．4 本章小结

第5章 咬边缺陷的抑制措施——TIG-MIG复合焊

5．2 “焊接电流-电弧电压”特性

5．2．1 TIG设定电流为50A时的“焊接电流-电弧电压”特性

5．2．2 TIG设定电流为100A时的“焊接电流-电弧电压”特性

5．2．3 TIG电流变化对“焊接电流-电弧电压”的影响

5．3 电弧形态和熔滴过渡

5．3．1 TIG电流变化对电弧形态及热、力分布的影响

5．3．2 TIG电流变化对熔滴过渡的影响

5．4 咬边抑制机理

5．4．1 TIG设定电流为50A时的温度场特征

5．4．2 TIG设定电流为50A时的流场特征

5．4．3 TIG电流变化对熔池温度场、流场及焊缝成形的影响

5．5 焊接微观组织及硬度

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和撰写的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目