GMAW双丝焊和激光+GMAW双丝焊焊接过程数值分析

摘要

熔化极气体保护焊（GMAW）具有优质高效、生产成本低、自动化程度高等优点，是应用广泛的一类电弧焊方法。本文基于流体力学软件FLUENT，开展GMAW双丝焊和激光+GMAW双丝焊焊接过程的数值分析研究，其中主要针对焊接过程中熔滴过渡和电弧行为进行数值研究，并且构建了电信号、高速摄像和光谱多信息融合测试分析系统，对数值模拟结果进行了验证，证明了其可靠性和准确度，深入阐释焊接参数对焊接过程的影响机理，以期为实际生产焊接工艺的制定提供理论指导与参考。
　　首先，对GMAW单丝焊开展数值分析，得到了熔滴由滴状过渡转变为喷射过渡时对应的临界电流公式，针对熔滴过渡进行模拟时，分为考虑和不考虑热分析两种情况，结果表明考虑热分析时模拟结果较好。研究发现当表面张力系数增大时，脱落熔滴体积随之增大，而焊丝尖端到脱落熔滴上端之间的液体长度随之减小。当动力粘度增大时，熔滴体积变化不明显，液体长度随之增加。比较分析数值模拟中电弧电势分布和焊接试验中电信号波形、高速摄像图片，发现当熔滴脱离焊丝后，电流是不流经脱落熔滴的。
　　然后，对GMAW双丝焊开展数值分析，对于熔滴过渡，发现在双丝焊中，由于两电弧之间存在的电磁力导致单丝焊和双丝焊熔滴过渡分别呈现轴向过渡和非轴向过渡。对于焊接电弧，单丝焊中工件表面电流密度分布可用高斯分布近似描述，而双丝焊中工件表面电流密度分布规律与双丝间距相关，当双丝间距较小时，可用高斯分布近似描述，当双丝间距较大时，则需对高斯模型进行修正。双丝焊中，研究了焊接电流、双丝间距、保护气体流量、等流与非等流情况对电弧行为的影响规律。研究发现，当焊接电流增大时，电弧偏转角、电弧最高温度和工件表面热通量峰值随之增大。当双丝间距增大时，电弧形态由单电弧向双电弧转变，工件表面电流密度由单峰分布向双峰分布转变，其峰值先是随着双丝间距增大而变小，达到一定间距时，基本保持不变，而工件表面热通量峰值和压强峰值随之先减小后增大。当气体流量增加时，工件表面压强峰值随之增大而电弧最大温度先增大后减小，存在最佳流量范围。等流与非等流情况相比，等流情况时，双峰峰值大小基本相同，而非等流情况时，较大的峰值出现在载有大电流的焊丝电弧中。
　　最后，利用三维数值分析模型对激光+GMAW双丝焊焊接电弧进行数值分析，与GMAW双丝焊相比，发现激光加入后对电弧有吸引压缩作用，压强整体变小，电弧能量更集中，热通量峰值近似为未加激光时热通量峰值的2倍，有利于进行高速焊获得大熔深而避免出现咬边、驼峰等缺陷。研究了激光功率、离焦量和光丝间距对电弧行为的影响规律。研究发现，当激光功率增大时，电弧偏转角和工件表面热通量峰值随之增大。当离焦量由负离焦增大为正离焦时，工件表面热通量峰值先增大后减小，在离焦量为0时，热通量达到最大值。当光丝间距较大时，因激光等离子体半径有限，导致激光和电弧的相互作用减弱甚至消失，因此应该合理选择光丝间距，以期最大限度发挥激光作用。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 GMAW单丝焊数值分析研究现状

1.3 GMAW双丝焊数值分析研究现状

1.4 激光+GMAW双丝焊数值分析研究现状

1.5 研究目的及研究内容

第二章 GMAW数值分析模型和试验设备

2.1 GMAW单丝焊数值分析模型

2.2 GMAW双丝焊数值分析模型

2.3 激光+GMAW双丝焊数值分析模型

2.4 物性参数

2.5 焊接试验设备

2.6 本章小结

第三章 GMAW单丝焊数值分析

3.1 GMAW单丝焊熔滴过渡数值分析

3.2 GMAW单丝焊熔滴过渡和电弧耦合数值分析

3.3 本章小结

第四章 GMAW双丝焊数值分析

4.1 GMAW双丝焊熔滴过渡数值分析

4.2 GMAW双丝焊电弧数值分析

4.3 本章小结

第五章 激光+GMAW双丝焊数值分析

5.1 激光+GMAW双丝焊焊接试验

5.2 激光功率的影响

5.3 激光离焦量的影响

5.4 光丝间距的影响

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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