等离子-MIG焊接方法及其双弧复合特性的研究

论文摘要

等离子-MIG焊接是一种双电弧复合焊接方法，具有能量集中、焊接效率高等独特的优点，特别适合于有色金属的焊接。本文对这种焊接方法的工作原理和双电弧复合机制进行了比较深入的研究，设计并研制了该方法所需要的专用设备和焊接枪体，并在国内首次完成了这种焊接方法的工程应用。 通过对等离子-MIG焊接枪体内部流场—温度场耦合模拟，对枪体各部位的热量传递过程进行了研究。经过对枪体上核心部件散热过程的模拟计算，对枪体的结构和外部冷却条件进行了优化。文中分别分析了等离子-MIG枪体在不同入水口半径、孔道长度、水流道宽度和喷嘴压缩角情况下的冷却状况，并确定了各参数的最佳值，为枪体的设计提供了定量化的依据。 在对电弧空间的气体流动和温度分布进行有限元分析的基础上，利用帕邢定律分析了在有MIG电弧提供的导电通道的前提下，等离子电弧的击穿路径，确定了双电弧复合焊接时的起弧过程。通过在喷嘴上设计导弧点，提供了实现双电弧分离的方法，并通过实践研究了这种分离的效果。研究中还分析了不同焊道尺寸、电弧拖曳和喷嘴挂滴等诸多因素对复合双电弧起弧和稳弧的影响。最终通过对焊接电弧的实际观察，确实发现了上述模拟计算所预测出的多种过程。 利用模拟计算的方法分析了在双电弧复合作用下的焊件温度场，研究了不同电弧组态对焊接熔池形状的影响。确定了双电弧分离距离不同的条件下，焊缝的尺寸变化的规律。 设计并研制了由两台逆变电源组成的等离子-MIG专用焊接电源，两台电源分别具有不同的电源外特性，满足了为等离子电弧和MIG电弧供电的需求。所设计的电源具有良好的动特性和电源调节特性，并可以通过接口电路与计算机相连。 采用人工神经网络技术设计了焊接参数专家库管理系统。该系统具有自学习能力，可以自动完成参数优化，保证了焊接过程的智能化控制。 将所研究的等离子-MIG焊接设备用于三峡电站大型开关断路器厚壁铝制罐体的制造，明显地提高了铝制构件的焊接效率和焊接质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 等离子弧焊接
• 1.2.1 等离子弧焊接方法的特点
• 1.2.2 等离子弧焊接电源
• 1.2.3 等离子弧焊接枪体
• 1.3 双电弧焊接方法
• 1.3.1 单面双弧焊接方法
• 1.3.2 双面双弧焊接方法
• 1.3.3 复合双弧焊接方法
• 1.4 等离子-MIG焊接方法研究现状
• 1.5 对等离子弧焊、气体保护焊及双弧焊接过程的计算模拟
• 1.5.1 关于等离子发生器的数值模拟
• 1.5.2 关于电弧和等离子射流中粒子或熔滴过渡的模拟
• 1.5.3 关于气体保护焊和等离子弧焊熔池温度场和流场的模拟
• 1.5.4 关于双弧焊接过程的模拟
• 1.6 关于焊接电弧起弧及电弧稳定的相关研究概况
• 1.7 本文的主要研究内容与创新点
• 1.7.1 本文主要研究内容
• 1.7.2 主要创新点
• 第二章 等离子-MIG焊接设备主电路分析与设计
• 2.1 电源种类的选择
• 2.2 等离子电源主电路设计
• 2.2.1 主电路参数计算
• 2.2.2 主变压器的设计
• 2.3 弧焊逆变器输出电气特性的获得
• 2.3.1 弧焊逆变器外特性获得方法
• 2.3.2 弧焊逆变器的调节特性
• 2.4 MIG电源的设计
• 2.4.1 MIG电源主电路的设计
• 2.4.2 动特性控制
• 2.5 本章小结
• 第三章 等离子-MIG智能控制系统设计
• 3.1 等离子-MIG智能控制系统软件、硬件构成
• 3.1.1 等离子-MIG智能控制系统硬件构成
• 3.1.2 等离子-MIG智能控制系统软件构成
• 3.2 等离子-MIG智能控制系统模型
• 3.2.1 焊接参数采集模块
• 3.2.2 专家系统模块
• 3.2.3 神经网络模块
• 3.3 系统软件介绍
• 3.3.1 上位机软件简介
• 3.3.2 下位机软件简介
• 3.4 本章小结
• 第四章 等离子-MIG焊接枪体设计及其流场、温度场分析
• 4.1 枪体总体结构分析及设计
• 4.1.1 总体分析及电极布置
• 4.1.2 主要部件的设计考虑
• 4.2 枪体内部水流场和气流场分析
• 4.2.1 计算流体动力学（CFD）
• 4.2.2 枪体内流场数学模型的建立
• 4.2.3 网格生成及边界条件处理
• 4.2.4 模拟计算结果与分析
• 4.3 枪体流场-温度场耦合分析
• 4.3.1 数学模型的建立
• 4.3.2 模拟计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 复合双电弧起弧与电弧稳定过程的观察与分析
• 5.1 关于电弧空间流动和温度分布的模拟计算
• 5.2 关于帕邢定律适用性的讨论
• 5.3 复合双电弧起弧及稳弧过程分析
• 5.3.1 平坦环形铜阳极上的随机起弧过程
• 5.3.2 阳极上存在凸起导弧点的情况
• 5.3.3 焊道对电弧形态的作用
• 5.3.4 对其它影响因素作用的分析
• 5.3.5 枪体强压缩方案时的电弧形态
• 5.4 本章小结
• 第六章 等离子-MIG复合双弧作用下的焊接温度场形态
• 6.1 双弧复合状态下的焊接温度场模拟
• 6.1.1 焊接温度场的一般特征
• 6.1.2 模拟计算条件的设定
• 6.1.3 模拟计算结果与分析
• 6.2 不同的双电弧规范对铝合金焊缝形态的影响
• 6.2.1 焊接工艺参数对铝合金焊缝尺寸的影响
• 6.2.2 工艺参数对焊缝组织的影响
• 6.2.3 接头和焊缝的力学性能
• 6.3 本章小结
• 第七章 等离子-MIG焊接方法的工程应用
• 7.1 应用背景
• 7.2 设备的研制及应用
• 7.2.1 焊接系统硬件组成
• 7.2.2 焊接工艺试验
• 7.3 应用效果分析
• 7.3.1 焊接质量检测
• 7.3.2 焊接效率分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢