高速三弧MAG焊动态稳定行为与焊缝成形机理研究

High-speed triple arc MAG welding can improve efficiency and reduce cost. This subject is for welding on ships with medium and heavy plates, a newly high-speed triple arc MAG welding was developed. Based on theoretical analysis, numerical analysis and comparison tests, physical characteristic of the high-speed MAG welding multi-coupling arc and its effect on droplet transfer behavior will be sthdied, to reveal the controlling factors of stability of heat and mass transfer; Wire melting characteristics of multi-coupling arc will be studied,to reveal the migration path of stable welding operating point,then,establish the droplet transfer dynamic stability matching principle of arc and power supply of high-speed triple arc MAG welding;Melt behavior in welding pool of high-speed MAG welding was studied, to clarify the mechanisms of the defect generation in high-speed melting process;The mechanism for improving the welding speed of triple arc coupling welding is studied, to establish a good control method for weld forming.The research subject is theoretically significant for high-speed welding technology, especially for welding speed to achieve even more than 2m/min.

高速熔化极气体保护焊可以提高焊接效率、降低焊接成本。本课题针对舰船用中厚板的焊接制造，提出研究新型高速三弧MAG焊接方法的动态稳定行为与焊缝成形机理。利用理论分析、数值分析和试验相结合的方法，研究高速三弧MAG焊耦合电弧的物理特性及其对熔滴过渡行为的影响，揭示动态传热与传质的稳定控制因素；研究多弧耦合的焊丝熔化特性，揭示稳定焊接工作点的迁移途径，建立高速三弧MAG焊熔滴过渡动态稳定的弧源匹配原则；研究高速MAG焊的熔池熔体行为，阐明三弧耦合对熔池流动的影响机理;研究三弧耦合提高焊接速度的机制，揭示高速熔凝过程中缺陷的产生机制,建立获得良好焊缝成形的控制方法。本课题的研究成果，为研发焊接速度达到甚至超过2m/min的高速MAG焊接技术具有理论指导意义。

为了大幅度提高焊接速度，在维持焊接线能量大体上保持不变的情况下，一般采用双丝甚至多丝熔化极气体保护焊接方法以提高焊接速度。多丝焊接工艺之所以能够缓解单丝高速焊接中的问题，是由于在熔池凝固之前，能够使更多熔敷金属迅速填满弧坑，这就意味着熔化速度和熔敷效率更大，故能够增大焊接速度。但是多丝焊接也存在一定的问题，比如电弧之间的相互干扰使焊接过程变得不稳定等。. 本课题利用三丝自动焊接系统、数据采集分析系统以及高速摄像系统建立了一套完整的三丝GMAW焊接试验平台，对三丝GMAW焊接工艺、电信号、电弧形态、熔滴过渡形态进行了分析，重点研究了多丝焊接电弧之间的干扰，分析了多丝焊接工作点的变化。.同时，基于流体力学理论建立了单丝常速GMAW、高速GMAW、双丝GMAW、三丝GMAW焊接熔池三维数值模型，模型考虑了熔池所受到的重力、电磁力、浮力、电弧压力、表面张力、以及熔滴的动态冲击作用，在能量边界条件中考虑了熔池的辐射、对流、以及蒸发作用。基于FLOW3D软件模拟研究获得了常速GMAW、高速GMAW、双丝GMAW、三丝GMAW焊接熔池的温度场、速度场等物理场，基于高速摄影系统观察了熔池形态。.实验结果表明，在单丝焊接过程中，电弧基本呈现锥形，单丝焊接时，随着电流增大，电弧亮度也变大，在电流达到300A时，电弧较稳定。在相同的线能量条件下，单双三丝，焊缝成形系数逐渐增大，余高系数逐渐减小；在相同的速度条件下，线能量越大，焊缝成形系数越小；保持单、双、三丝焊速为1:2:3，单、双、三丝焊缝成形系数逐渐增大，余高系数逐渐减小，焊接效率增大。此外，在双丝以及三丝焊接中，由于相邻电弧的加热作用，使得电弧电阻热减小，干伸长相应减小，达到双丝（三丝）稳定焊接状态后，电弧的焊接工作点发生了变化。.模拟和实验结果表明，单丝高速焊接驼峰形成的机理是液态金属在熔池尾部堆积形成“隆起”，同时高速时液体通道的拉长、收缩、提前凝固，隔断了熔池前部与尾部的液态金属和能量的传递，形成了波峰和波谷不均匀的驼峰焊道。在双丝焊接中，两根丝之间的熔池存在电弧压力和液滴冲击力所引起的“推-拉”流动方式，以及表面张力所引起的向外流动方式。“推-拉”流动方式抑制了大量液态金属向熔池尾部流动，降低了后向液体流的动量，液态金属无法在熔池尾部堆积形成“隆起”。同样，在保持相同线能量条件下，三丝焊接中也未出现驼峰缺限。