铝合金非熔化极变极性焊接电弧与熔池特性数值分析

摘要

变极性电弧焊接方法能够实现在焊接时及时清理铝合金表面致密的氧化膜，减少钨极烧损和提高焊接热效率的最优匹配。目前，非熔化极变极性电弧焊接方法主要是变极性钨极氩弧焊接（VP-GTAW）和变极性等离子弧焊（VP-PAW）。两种焊接方法分别以自由电弧和压缩电弧为焊接热源，都有十分广泛的工业应用。VP-GTAW主要为热导式焊接，适合薄板铝合金焊接。VP-PAW属于高能束焊接方法，特别适合于中厚板铝合金的穿孔式焊接，能够在焊接过程中实现单面焊双面成形。关于变极性电弧焊接的研究已经有工艺和理论方面的初步进展。但是，变极性电弧焊接过程中的一些重要物理现象以及变极性焊接过程的机理，还有待进一步探索。
　　本文采用高速摄影装置、电弧压力采集设备、光谱分析设备、电信号传感器等多种监测手段，对VP-GTAW过程中电弧形态、电弧压力特性、电弧光谱特征等进行了分析，从实验的角度分析了变极性焊接电弧的热、力特性。搭建了6 mm厚2219铝合金VP-PAW及4 mm厚度2219铝合金VP-GTAW实验平台，采用SEM&EDS法研究焊接接头的微观组织及成分分布，对试样的拉伸性能和断口形貌进行了分析。研究发现，焊件的拉伸断口出现在熔合区偏向焊缝一侧，试样断裂机制复杂，呈现多种断裂机制的断口形貌。
　　本文基于计算流体动力学和电磁学理论，对FLUENT软件进行二次开发，建立了钨极-电弧-熔池全耦合数学模型，分析了VP-GTAW及VP-PAW过程中DCEN及DCEP阶段电弧的温度场、流场、电势场、电流密度场及电弧压力场等多物理场特性。另外，分析了变极性电弧传热机理及其对熔池流动影响，揭示了VP-PAW穿孔过程中熔池界面上的热流密度和壁面剪切力的动态分布规律，对于深入了解变极性焊接过程的物理现象具有重要的理论意义。
　　本文通过FLUENT软件中的用户自定义编译器（UDF），实现了在填丝焊接过程中，热源、力源项模型分时段交替加载。研究了VP-GTAW过程中熔池形态与流场特性，揭示了咬边、驼峰缺陷的形成机理。分析了VP-PAW小孔形成过程中，小孔壁面热、力分布的动态演变过程，以及小孔形成及闭合过程中的温度场与流场特性。研究首次提出，铝合金平焊穿孔过程中存在盲孔熔池震荡现象。这是由于穿孔过程中期，液态金属在小孔底部聚集，电弧需要不断排开液态金属，小孔出现“闭合-出现-闭合”的循环演变过程。数值分析及实验研究的结果，为优化焊接工艺参数提供理论指导。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 铝合金非熔化极变极性电弧焊接方法

1.2 铝合金极变极性电弧焊接基本理论

1.3 变极性焊接电弧行为研究现状

1.4 变极性焊接工艺及熔池行为研究现状

1.5 本文的研究意义及内容

第2章 变极性焊接电弧特性的实验研究

2.1 变极性焊接电弧特性实验

2.2 变极性焊接电弧形态分析

2.3 变极性焊接电弧力学行为研究

2.4 变极性电弧光谱特性分析

2.5 本章小结

第3章 非熔化极变极性焊接电弧特性数值分析

3.1 数学模型

3.2 VP-GTAW电弧特性数值分析

3.3 VP-PAW电弧特性数值分析

3.4 本章小结

第4章 铝合金变极性填丝焊接接头熔池形态及流场特性

4.1 数学模型

4.2 VP-GTAW熔池形态及流场特性分析

4.3 VP-PAW熔池-小孔形态及流场特性分析

4.4 本章小结

第5章 铝合金变极性电弧焊接接头组织性能研究

5.1铝合金变极性电弧焊接实验

5.2变极性电弧热源对铝合金焊接接头组织性能的影响

5.3 变极性电弧与铝合金表面相互作用机理研究

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A 1. 符号说明

发表论文和参加科研情况说明

致谢