三丝MAG电弧耦合作用对熔池流体动力学行为的影响机理研究

Triple-electrode high speed MAG welding is a relative new process to enhance the welding efficiency for low carbon steel plates in industrial manufacturing. In view of the limited application and investigation, this project mainly focuses on investigating the arc interference effect on the fluid dynamics of the weld pool, and the welding experiments are completed using self-developed welding equipment. The followings are the main investigation contents. Firstly, the influence law of welding parameters (including welding power, welding speed, wire to wire distance) on the arc shape, arc deflection and arc interference mechanism are studied by experimental comparison and theoretical analysis. Secondly, quantitative analysis is used to assess the heat source (arc) interactions and a reasonable heat source model, which is developed to establish a systematically heat transfer and fluid dynamic model. The influence of welding parameters on the heat and mass transfer are analyzed by welding numerical simulation. This project intends to provide technology guidance and theoretical basis for multi-electrode high speed welding, and has important value to the application and scientific research.

三丝MAG焊接低碳钢工艺是提高工业制造中厚板连接效率比较新颖的焊接方法之一。针对三丝MAG焊接技术手段尚未被广泛应用以及相关机理研究还不够成熟的现状，该项目采用本课题组自主研发的三丝MAG焊接设备对低碳钢板进行焊接工艺实验，利用电弧理论和熔池流体动力学理论探讨焊接电弧耦合作用对熔池流体动力学行为的影响机理。研究内容主要包括：实验对比分析不同焊接参数(主要包括焊接功率、焊接速度、焊丝间距)对电弧形态、电弧偏转行为的影响规律，利用电磁理论定量分析电弧耦合作用机理。采用无量纲分析方法对热源(电弧)的相互作用进行评定，建立新复合热源模型以完善三丝高速焊接熔池流体动力学模型，探索焊接参数对焊接熔池的传热传质的影响机理。以上问题的解决将为多丝高速焊接的发展提供技术指导和理论依据，具有重要的科学意义和应用价值。

三丝焊接工艺是提高工业制造中厚板连接效率比较新颖的焊接方法之一。针对三丝焊接技术手段尚未被广泛应用以及相关机理研究还不够成熟的现状，该项目对低碳钢板进行三丝焊接工艺实验，探讨分析了焊接电弧耦合作用对熔池流体动力学行为的影响机理。研究成果主要包括以下几个部分：首先，项目通过搭建三丝焊接实验平台，利用高速摄影拍摄多电弧形态与偏转行为，分析焊接参数(焊接电流组合和焊丝距离)对多电弧耦合作用的影响规律。电弧耦合的影响分析主要包括利用数字图像处理技术分析焊接参数对电弧形态特征的影响；利用变异系数对采集的电信号进行统计，分析焊接参数对电弧稳定性的影响；制备焊缝样品并拍摄宏观金相，利用熔化能增量表征焊接参数对电弧相互作用的影响。其次，研究分析了电弧耦合机理及熔池流体动力学模型的改进和优化。建立多电弧耦合作用模型，将电弧偏转形式分为三种情形，计算不同焊接参数条件下的磁场，基于毕奥-萨法尔定律推导三丝焊接电弧轨迹模型，并与实际拍摄的高速摄影电弧轨迹对比，以验证模型的准确性。利用焊接熔池热场及流场FLOW 3D软件和其二次开发功能，采用FORTRAN 编程语言添加体积力(电磁力)、多熔滴的产生以及与熔池相互作用、新复合热源作用、热源匀速运动等子程序，充分考虑熔化热、体积力、熔池表面变形、凝固模型、表面张力、电弧耦合作用、焊接熔池界面处能量、动量和质量传输、焊接熔池与周围介质的传输等因素，建立完善的定点三丝高速焊接熔池流体动力学及传热过程的数学模型。但在传统模型模拟结果与实际焊接结果差异较大的情况下，对三丝焊接热传导与熔池流动行为模型进行改进与优化，主要有基于阿贝尔变换的电弧有效作用半径优化计算，熔滴过渡模型修正等，完善并验证新熔池流体动力学模型的准确性。最后对改进优化模型下的模拟结果和实验结果对比验证模型的准确性，并对三丝焊接熔池流动行为进行研究，分析定点三丝焊接熔池流动行为机理。基于以上的优化模型，应用于移动焊接的熔池流动行为模拟中，对比分析传统模型与优化模型的差异，分析移动三丝焊接熔池流动行为机理。该项目的研究成果为多丝高速焊接的发展提供了技术指导和理论依据，具有重要科学意义和应用价值。