金属双丝间接电弧特性及熔滴过渡行为研究

金属双熔敷极间接电弧焊是焊接电弧焊领域一种新的焊接技术发明，焊接过程中工件不接电源，间接电弧引燃后电弧两极性斑点分别在两焊芯（焊丝）端部形成和燃烧，电弧可在离工件不同距离的空间进行引弧和燃烧，合理分配电弧焊中电弧热对母材和焊丝的热输入，不仅可实现大幅度地提高焊接熔敷系数，而且还可避免被焊工件热输入过大等缺陷。本课题以金属双丝间接电弧为研究对象，通过理论分析、试验测试和数值模拟相结合的方法，综合考虑各种相关因素，对双丝间接电弧焊的电弧及熔滴过渡行为进行深入系统的研究。以实际测试采集数据和图像信息为基础，结合相关理论进行分析，建立双丝间接电弧和双丝熔滴过渡的数学模型，进行计算机模拟，最后利用双丝间接电弧焊实验对数学模型和模拟结果加以验证。本研究将为这种新型电弧的应用提供理论依据，为高效、节能、优质的间接电弧焊提供理论支持，并为其工程应用提供系统技术数据。

双丝间接电弧气体保护焊是一种高效、节能的新型电弧焊方法，该方法中双丝分别与直流电源的正、负极相连，工件不接电源。电弧在两根焊丝端部形成，电弧产生的绝大部分热量用来熔化焊丝，只有很少一部分用来熔化工件，所以该方法具有高效、节能、熔合比小等优点，是一种具有良好应用前景的焊接方法。. 本课题基于磁流体动力学及麦克斯韦方程组建立了双丝间接电弧的三维有限元数学模型，利用有限元软件对双丝间接气体保护焊的焊接电弧进行了数值模拟。结果表明双丝间接电弧的电弧温度、电流密度、等离子体速度以及电磁场等电弧参数的大小和分布呈 “弧柱区上端高，下端低，靠近两极的弧柱区部分最高，远离两极的弧柱区上端部分次之，弧柱区下端部分最低”分布规律，电弧向阳极一侧偏转，电弧形态类似于倒立倾斜的“提篮”型。.随着双丝夹角增大，电弧温度、等离子体速度以及电流密度在弧柱区上端增加，在弧柱区下端降低，其中靠近阳极的弧柱部分增量要大于靠近阴极的弧柱部分，电弧的偏转程度增加；随着焊接电流增大，电弧的温度、等离子体速度以及电流密度在整个电弧区域都增加，其中靠近阴极的弧柱部分和靠近阳极的弧柱部分增量较大，其他部分增量较小，尤其是弧柱区下端增量最小，电弧电压和偏转程度增加；随着电弧长度增加，电弧电压显著增加，电弧温度、等离子体速度以及电流密度增量较小，在靠近阴极的弧柱部分和靠近阳极的弧柱部分的增量远大于弧柱区下端；电弧的偏转程度增加。电弧的温度，等离子体速度以及电流密度在靠近两极的弧柱部分始终较大，而在弧柱区下端始终保持在极低的水平，导致作为电弧两极的双丝熔化速度大，而靠近弧柱区下端的工件热输入低。. 双丝间接电弧焊接的阴极熔滴和阳极熔滴的过渡轨迹分别偏转，两列熔滴单独下落，两列熔滴的过渡位置距离较远，阴极熔滴的体积远大于阴极熔滴，阴极熔滴过渡频率小于阳极熔滴。熔滴所受的电磁排斥力是熔滴过渡轨迹发生偏转的最主要原因。熔滴脱离焊丝表面后所经过电弧区域电弧温度较低，电弧对熔滴的加热作用不明显，熔滴携带的热量较少。电弧模拟计算结果和熔滴过渡试验结果表明双丝间接电弧焊接中电弧和熔滴传递给工件的热量较少，这是双丝间接电弧焊对工件热输入低的主要原因。