焊缝咬边形成机理及高速焊工艺研究

论文摘要

焊接速度是薄板高效焊接的重要工艺参数,制约焊接速度提高的主要障碍之一是咬边缺陷的产生。文中通过计算机仿真、TIG定点焊接、TIG自由电弧焊接、TIG电磁压缩电弧移动焊接、以及双弧移动焊接等实验,研究了熔池液体金属表面张力温度系数、温度梯度、熔池液体流向以及熔池动态深宽比等因素对焊缝咬边形成的影响规律及其预防措施等。研究表明,熔池表面液体自熔合线向熔池中心流动是导致焊缝产生咬边的最重要因素。当表面活性物质的存在（例如钢中硫含量在0.02-0.04%左右）使得熔池表面张力温度系数由负值变为正值时,TIG定点不填丝焊点均发生咬边现象,而用含硫量极低的铁基金属（如硫含量小于0.01%）进行焊接时就不出现咬边。温度梯度是影响焊缝咬边程度的最重要因素。在其他条件不变的前提下,焊缝咬边程度随着温度梯度的增大而增大。大电流短时间TIG定点焊接时的咬边倾向和程度大于小电流长时间定点焊接时的咬边倾向和程度,大电流高速焊接时的咬边倾向远大于小电流低速焊接时的咬边倾向。增加熔化角可有效减小近熔合线区的液体流动阻力,降低近熔合线区凝固速度,对抑制焊接咬边有明显作用。当有填充金属加入熔池时,在重力作用下抑制了熔池金属向中心流动,降低了咬边程度。随着填充金属量的增加,咬边将最终消除。数值模拟和焊接实验表明,高速焊接条件下的熔池最大熔深截面滞后于最大熔宽截面,使得焊缝的深宽比不能反映熔池冷却时的实际情况,故而依据最大熔宽和最大熔深截面把熔池分为金属熔化的前段、熔池两侧金属开始凝固而熔池底部仍在继续熔化加深的中段和液体金属凝固的后段。显而易见,咬边正是出现在熔宽减小而熔深增加的中段。文中提出熔池动态深宽比概念:焊接过程中熔宽最大处的熔池深宽比称为熔池动态深宽比,其对准确描述高速焊接条件下的熔池行为具有重要意义。焊接热源形态对焊接熔池温度梯度和动态深宽比有重要影响,对提高焊接速

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高熔敷率焊接工艺
• 1.2.1 改进焊接材料实现高熔敷率焊接
• 1.2.2 采用磁控电弧提高焊接熔敷效率
• 1.2.3 带极气体保护焊接
• 1.2.4 助焊剂TIG焊技术（A-TIG）
• 1.2.5 窄间隙焊接
• 1.3 高速焊接工艺
• 1.3.1 通过焊接材料的改进实现高速焊接
• 1.3.2 通过焊接工艺参数的改进实现高速焊接
• 1.3.3 通过工艺的复合实现高速焊接
• 1.4 高速焊接工艺研究现状
• 1.4.1 高速焊接时的焊接缺陷分析
• 1.4.2 焊缝咬边理论
• 1.5 本课题的研究内容和基本思路
• 1.5.1 高速焊接条件下的咬边缺陷的产生规律研究
• 1.5.2 TANDEM焊接系统研制和工艺研究
• 1.5.3 项目来源
• 第2章 高速焊接工艺研究实验平台的建立
• 2.1 高速焊接研究平台的整体结构
• 2.2 TANDEM弧源系统的研究现状
• 2.2.1 MIG/MAG焊接工艺的熔滴过渡研究
• 2.2.2 TANDEM系统双丝相互作用研究
• 2.3 TANDEM弧源系统的建立
• 2.3.1 控制策略的选择
• 2.3.2 电源系统的研制
• 2.3.3 软件结构设计
• 2.3.4 双机通讯的建立
• 2.4 电源调试
• 2.4.1 电源的调试
• 2.4.2 电源外特性测试
• 2.4.3 电源动特性测试
• 2.5 双丝脉冲MAG焊初步工艺实验
• 2.5.1 跃台阶实验
• 2.5.2 双丝脉冲MAG焊初步工艺实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 熔池温度场计算与定点焊接熔池行为研究
• 3.1 焊接熔池数学模型的建立
• 3.1.1 焊接熔池的力学研究现状
• 3.1.2 熔池内的液体流动
• 3.1.3 焊接熔池的数学模型
• 3.2 定点电弧焊接实验结果及分析
• 3.2.1 定点电弧焊接研究的目的和意义
• 3.2.2 数学模型校正
• 3.2.3 定点焊接电弧的仿真计算
• 3.2.4 定点焊接实验结果
• 3.2.5 焊接实验结果分析
• 3.2.6 定点TIG填丝焊接实验
• 3.3 本章小结
• 第4章 移动焊接实验结果及分析
• 4.1 焊接温度场的初步计算结果
• 4.1.1 高速焊接时的焊接熔池计算结果
• 4.1.2 熔池动态深宽比
• 4.2 焊接速度对温度场影响的计算结果
• 4.2.1 焊接电流相同焊速不同时的温度场
• 4.2.2 热输入相同焊速不同时的温度场
• 4.2.3 熔深相同焊速不同时的温度场
• 4.3 散热条件变化对温度场的影响
• 4.3.1 预热温度对温度场的影响
• 4.3.2 母材厚度对温度场的影响
• 4.4 移动焊接实验研究
• 4.4.1 单弧TIG焊接实验研究
• 4.4.2 单弧TIG横向电磁压缩电弧研究
• 4.4.3 双弧焊接实验研究
• 4.5 本章小结
• 第5章 双丝高速焊接实验研究
• 5.1 U-I控制模式脉冲焊稳定性研究
• 5.1.1 脉冲频率与送丝速度的关系
• 5.1.2 脉冲峰值电压和脉冲时间与熔滴过渡的关系
• 5.1.3 脉冲电流和脉冲时间与熔滴过渡的关系
• 5.1.4 脉冲电压和脉冲时间与焊接状态的关系
• 5.2 双弧TIG的温度场计算
• 5.2.1 计算条件和加载方式
• 5.2.2 两电弧距离不同时的温度场分析
• 5.2.3 两电弧热输入比例不同时的温度场分析
• 5.2.4 相同电流下单、双弧的温度场分析
• 5.2.5 相同热输入下单、双弧的温度场分析
• 5.3 双丝高速焊接工艺试验
• 5.3.1 高速焊接实验规范
• 5.3.2 高速焊接实验结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 试件照片
• 攻读博士学位期间取得的科研成果
• 致 谢