磁场控制高效MAG焊接旋转射流过渡稳定性的研究

摘要

该文针对细丝大电流焊接过程,对旋转射流过渡不稳定性的机理及影响因素等方面进行了深入的研究,从焊接设备和焊接工艺的角度,提出了磁场控制的高效、低成本、无氦保护的MAG焊接新工艺方法.该文通过对细丝大电流焊接旋转射流过渡时液流束以及焊接电弧的受力分析,引入了液流束稳定性的概念,并提出旋转射流过渡时特有的焊接电弧形态和它与液流束之间相对位置的变化是决定液流束上受到的力的关键,同时也是决定液流束稳定性的关键.采用直观分析的方法提出在大电流焊接时液流束所具有的压缩不稳定性和螺旋不稳定性,正是其自身所具有的螺旋不稳定性才是产生旋转射流过渡的内在本质原因,再加之受到的外界电弧力的作用,才引起液流束的旋转运动.分析了旋转射流过渡时液流束的运动特性、液流束的运动与焊接电弧的运动之间的主从关系及运动特征.指出是旋转射流过渡时特有的焊接电弧形态所产生的电弧力促使液流束的旋转,而液流束的旋转又带动焊接电弧的旋转.而没有控制的旋转射流过渡过程是不稳定和无规律的过程.通过试验分析了焊丝干伸长度、保护气体、焊接电弧电压等对旋转射流过渡过程稳定性的影响.提出采用外加磁场控制连续大电流焊接旋转射流过渡过程的焊接新工艺、新方法.采用简正模分析的方法从机理上分析了外加磁场对旋转射流过渡时液流束稳定性的影响,指出外加磁场的引入可以提高液流束的稳定性.分析了液流束在外加磁场作用下的受力状况以及液流束的运动行为.采用ANSYS有限元分析的方法,对各种情况下的磁场的分布情况进行了仿真和计算.分析了励磁线圈的形状、位置、励磁电流的大小、焊接材料的变化、坡口形式的变化等诸多因素对磁场分布的影响.在上述理论分析和计算的基础上,建立了一套磁场控制的高效MAG焊接系统.主要包括性能优良的焊接电源、稳定可靠的送丝系统、成本低廉的保护气体和简单实用灵活方便的磁场控制器件.并在上述焊接系统的基础上,通过大量的焊接试验,证实了外加磁场对旋转射流过渡过程的控制作用.

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1课题背景及研究的意义

1.2高效焊接的国内外研究进展

1.2.1高速焊接

1.2.2高熔敷率焊接方法

1.2.3高熔敷率焊接方法存在的问题

1.3磁场控制焊接技术的发展现状

1.3.1外加磁场控制的焊接技术特点

1.3.2外加磁场对焊接电弧的控制作用

1.3.3外加磁场对焊缝熔池金属的控制作用

1.3.4外加磁场对熔化极焊丝端部熔滴或液流束的控制作用

1.3.5工程电磁场分布的计算方法

1.4本文的主要研究内容

2高效MAG焊接旋转射流过渡不稳定性的研究

2.1引言

2.2典型的高效MAG焊接电弧行为和熔滴过渡

2.3焊接过程中的电磁现象及其基本规律

2.3.1电磁力与电磁场

2.3.2电磁感应现象及麦克斯威尔(Maxwell)方程

2.3.3作用在焊丝端部熔化的液态金属上的作用力

2.4旋转射流过渡的焊接电弧形态特点及液流束的受力分析

2.4.1旋转射流过渡的形成过程

2.4.2旋转射流过渡时的焊接电弧形态

2.4.3旋转射流过渡时作用在液态金属上的电磁力

2.4.4本节小结

2.5旋转射流过渡时液流束的稳定性分析

2.5.1液流束稳定性的概念

2.5.2液流束的压缩不稳定性(m=0)

2.5.3液流束的螺旋不稳定性(m=1)

2.6旋转射流过渡时液流束的运动分析

2.6.1焊接电弧的位置和形态及其变化情况是决定旋转射流过渡的直接原因

2.6.2促使液流束旋转的力的因素

2.6.3焊接电弧的旋转运动与液流束的旋转运动之间的主从关系

2.6.4旋转射流过渡过程的特征

2.6.5本节小结

2.7影响旋转射流过渡不稳定性的因素

2.7.1焊丝干伸长度的影响

2.7.2气体介质的影响

2.7.3本节小结

3纵向磁场控制的高熔敷率MAG焊接机理研究

3.1引言

3.2纵向磁场控制的高熔敷率MAG焊接的物理过程

3.3磁场作用下等离子体的稳定性分析

3.3.1磁场作用下等离子体的扰动方程

3.3.2磁场作用下等离子体的稳定性分析

3.4纵向磁场控制的高熔敷率MAG焊接等离子体的受力分析

3.4.1引言

3.4.2外加磁场引起的作用在等离子体上的周向洛伦兹力

3.4.3外加磁场引起的作用在等离子体上的径向力

3.4.4外加磁场引起的作用在等离子体上的轴向力

3.5磁场作用下等离子体的运动行为分析

3.5.1磁场控制旋转射流过渡等离子体的周向运动

3.5.2磁场控制旋转射流过渡等离子体的轴向运动

3.5.3磁场控制旋转射流过渡等离子体的径向运动

3.5.4本节小结

4磁场控制高效MAG焊接过程磁场分布的研究

4.1引言

4.2有限元方法简介

4.3外加磁场的产生

4.4外加纵向磁场的有限元分析

4.4.1外加同轴磁场高效MAG焊接过程的磁场分布计算模型

4.4.2励磁线圈安装位置对磁场分布的影响

4.4.3励磁电流对磁场分布及大小的影响

4.4.4励磁线圈铁芯对磁场分布的影响

4.4.4焊接材料不同对磁场的分布的影响

4.4.5被焊工件的坡口形式对磁场分布的影响

4.5本章小结

5磁场控制高效MAG焊接工艺方案及实验设备

5.1磁场控制高效MAG焊接工艺系统的组成

5.1.1性能优良的焊接电源

5.1.2稳定可靠的送丝系统

5.1.3价格低廉的保护气体

5.1.3简单实用的磁场控制器件

5.2磁场检测设备

5.3高速摄像系统

6基于高速摄像的磁场控制高效MAG焊接新工艺的试验研究

6.1引言

6.2外加磁场对旋转射流过渡过程的控制作用以及过程稳定性试验研究

6.2.1试验方案

6.2.2试验结果与分析

6.3磁场控制高效MAG焊接工艺性能的试验研究

6.3.1磁场对液流束旋转半径和偏转角度的影响

6.3.2外加磁场作用下的焊接电弧形态变化的试验研究

6.3.3外加磁场对焊缝成型的影响的试验研究

6.3.4外加磁场的位置对旋转射流过渡的影响的试验研究

6.3.5不同形式的外加磁场对旋转射流过渡的影响的试验研究

6.4本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢