交变磁场控制高效GMAW焊接工艺与电弧-熔滴-熔池耦合行为研究

It is a hot issue and long-term objectives for the international welding field to improve the welding efficiency and quality.Aiming at the existing bottleneck about the capacity of electric current in the high-efficiency GMAW welding process，In this study, diffetent kinds of magnetic field、diffetent intensity degree of magnetic field and different frequency of magnetic field are used to control the welding process. Based on the study about the coupled arc-droplet-pool system, new high-efficiency GMAW processing method is proposed. Include 1)The mechanism of action about the influence of different magnetic field acting on the arc、droplet and pool; 2)the metal vapor generating and translating processing; 3) the synergy controlling of arc stability and droplet transfer under the control of magnetic field;4) arc-droplet-pool coupled behavior. Solving the problem about physical fields under the condition of arc-droplet-pool coupled mechanism is of great significance for the understanding of magnetic control high-efficiency GMAW welding process, providing important theoretical and technical support for high-efficiency GMAW welding process widely application in production.

如何提高焊接效率和质量是当前国际焊接界的热点问题，也是长期追求的目标。本项目针对大电流高效GMAW焊接过程所面临的焊接工艺不稳定与效率瓶颈问题，提出通过外加交变纵向磁场，协同控制焊接过程稳定性，以电弧-熔滴-熔池耦合行为研究为核心，探索进一步显著提高焊接效率的大电流高效GMAW焊接工艺与方法。主要包括以下研究内容：1）不同频率、不同强度的磁场对电弧、熔滴、熔池的影响规律；2）金属蒸汽的产生及运输机制；3）大电流下熔滴过渡和电弧行为的协同控制；4）电弧-熔滴-熔池耦合作用机理。搞清楚多物理场条件下电弧-熔滴-熔池耦合作用机理这一重要科学问题，对于进一步深入理解磁控高效GMAW焊接过程具有重要意义，为实现高效GMAW焊工艺广泛应用提供重要理论基础和技术支撑。

针对交变磁场作用下大电流高效GMAW焊接工艺设备开发与过程稳定性研究，开发了交变磁场发生装置，并对普通商用GMAW焊机进行改造，最大送丝速度提升到50m/min，焊接电流提高到630A，为显著提高焊接效率及试验研究提供了基础。. 研究了外加磁场对GMAW焊接过程稳定性控制的影响。外加直流纵向磁场，使电弧整体发生旋转，形态变为钟罩形，旋转的电弧挺度和稳定性都有所提高，使GMAW熔滴液流束旋转偏角增大，但液流束旋转频率没有变化。外加交变磁场，可使电弧的旋转半径减小，电弧的挺度和刚度增大，使GMAW熔滴旋转射流过渡更加稳定，焊丝端部液锥稳定性变好，焊接飞溅率降低，焊缝熔深增加，焊缝成形改善，焊缝晶粒有所细化。. 为了避免熔滴过渡对试验测量的干扰，通过改变钨极成分，将不同浓度金属蒸气引入电弧区域，并利用光谱分析了金属蒸气在电弧中的分布及其产生传输机制。研究表明，金属蒸气存在使电流流过较大的半径区域，导致电流密度分布逐渐扁平化，并随着金属蒸气浓度的增加，电弧中心出现了“低温腔”。. 通过建立电弧-熔滴-熔池的全耦合数学物理模型，研究了不同焊接条件下电弧、熔滴过渡以及熔池行为，详细分析了外加磁场作用下的电弧收缩机理和金属蒸气传输行为以及熔滴旋转射流过渡的控制机理。模拟结果表明：外加直流纵向磁场，GMAW电弧的高速旋转对熔池的搅拌以及旋转的液流束对熔池的冲击极大地改变了熔池中液态金属的流动，迫使熔池中液态金属随着电弧作旋转运动，且液流束的过渡偏离轴线，使得熔宽增大，下凹深度减小，此时熔池震荡平缓；而外加交流纵向磁场，GMAW电弧通过周期性转向，抑制液流束旋转，使得液流束靠近轴线位置过渡到熔池当中，对熔池产生类似挖掘的作用，使熔池震荡剧烈，熔宽减小，下凹深度增加。. 为进一步提高焊接效率，提出并开发了一套磁控大电流GMAW潜弧焊接系统，最大输出电流可达1000A，最大送丝速度可达80m/min，极大地提高了焊接效率。对20mm厚板开小坡口可实现单道焊双面成形。研究表明，外加磁场可有效改善GMAW潜弧焊接过程稳定性和焊缝成形。