超聲-GMAW復(fù)合焊接方法及其熔滴過(guò)渡行為研究.pdf

1、本文針對(duì)常規(guī)熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)熔滴過(guò)渡頻率低、過(guò)程穩(wěn)定性差等問(wèn)題,將超聲輻射力引入 GMAW熔滴過(guò)渡過(guò)程,提出了超聲輔助熔化極氣體保護(hù)焊(U-GMAW)方法。根據(jù)超聲和焊接的工作特點(diǎn)精確設(shè)計(jì)復(fù)合焊炬的形式和尺寸,構(gòu)建了復(fù)合焊接平臺(tái),以此為基礎(chǔ)研究了超聲參數(shù)對(duì)電弧行為的影響規(guī)律,分析了聲場(chǎng)在復(fù)雜電弧焊環(huán)境下的分布特征,獲得了諧振狀態(tài)聲場(chǎng)參數(shù),進(jìn)而揭示不同熔滴過(guò)渡模式的變化特征,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定連續(xù)的熔滴過(guò)渡過(guò)程。采用數(shù)值計(jì)算和理論分析

2、方法研究了超聲-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程聲輻射力分布特征和熔滴受力變化特點(diǎn),揭示了聲輻射力對(duì)熔滴過(guò)渡的作用機(jī)理,為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可控的熔滴過(guò)渡研究提供了試驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。
　　首先根據(jù)系統(tǒng)工作原理提出了平臺(tái)總體設(shè)計(jì)原則,確定了以超聲振動(dòng)系統(tǒng)為基體的復(fù)合焊炬設(shè)計(jì)方案。采用數(shù)值計(jì)算和有限元優(yōu)化對(duì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的尺寸進(jìn)行了精確設(shè)計(jì),獲得了諧振頻率和阻抗特性滿足要求的超聲振動(dòng)系統(tǒng)?；诔曊駝?dòng)系統(tǒng)完成了復(fù)合焊炬設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了送絲機(jī)構(gòu)、電連接、保護(hù)氣

3、、冷卻水等必要的焊槍元素,完成復(fù)合焊接系統(tǒng)構(gòu)建。利用水滴滴落過(guò)程模擬熔滴過(guò)渡進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn),探索聲輻射力分布及其對(duì)液滴作用規(guī)律,觀察到液滴變形并加速過(guò)渡的現(xiàn)象,同時(shí)證實(shí)了超聲性能滿足試驗(yàn)要求。
　　采用高速攝像裝置和電信號(hào)分析系統(tǒng)觀察電弧行為,發(fā)現(xiàn)了超聲-GMAW焊接過(guò)程中電弧收縮現(xiàn)象。以電弧形態(tài)參數(shù)變化為依據(jù)考察了不同超聲參數(shù)的影響規(guī)律,電弧收縮程度隨超聲振幅提高和輻射端面積增大而單調(diào)遞增,但是隨輻射端高度增加發(fā)生波動(dòng)變化,證實(shí)

4、了超聲在焊接環(huán)境下形成一定模式的聲場(chǎng)。以送絲速度和焊接電壓為主要參數(shù)研究了超聲-GMAW復(fù)合焊接的電弧特點(diǎn),獲得了超聲-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程中電弧收縮規(guī)律,對(duì)電弧導(dǎo)電特點(diǎn)的分析顯示弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度大幅提高。
　　從整體的熔滴過(guò)渡規(guī)范區(qū)間分布和具體的熔滴過(guò)渡類(lèi)型特點(diǎn)角度出發(fā),揭示了超聲-GMAW復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡特征的變化。從整體來(lái)看,短路過(guò)渡模式的電壓規(guī)范區(qū)間擴(kuò)大,不穩(wěn)定自由過(guò)渡區(qū)間減小。在短路過(guò)渡模式下,超聲-GMAW復(fù)合焊接的短路過(guò)

5、渡頻率顯著提高,在更大電壓范圍內(nèi)保持頻率較高的短路過(guò)程。在滴狀過(guò)渡模式下,超聲-GMAW復(fù)合焊接的熔滴發(fā)生了顯著的變形,在焊絲軸線方向拉長(zhǎng),脫落時(shí)呈橢球狀。熔滴尺寸減小,過(guò)渡頻率提高,獲得了類(lèi)似射滴過(guò)渡的穩(wěn)定過(guò)程。
　　為了更深入理解超聲的作用機(jī)理,采用有限元軟件 Comsol對(duì)復(fù)合焊接過(guò)程中的聲場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行了研究。在發(fā)射端-反射端形式的聲場(chǎng)中,各參量以反射端為起點(diǎn)具有固定的空間分布模式,其中聲輻射力為靜態(tài)場(chǎng),周期為聲波長(zhǎng)的一半。聲

6、壓和振速為時(shí)諧場(chǎng),1s內(nèi)狀態(tài)變化20000次,變化幅值由該點(diǎn)所處空間高度決定,空間分布周期等于聲波長(zhǎng)。在GMAW焊接環(huán)境下,聲場(chǎng)分布模式并未發(fā)生顯著變化,但是分布周期略有增大而各參量幅值略有降低。同時(shí),采用靜力平衡理論分析熔滴受力狀態(tài)變化,結(jié)果顯示超聲-GMAW過(guò)程中熔滴受到附加力作用,其作用效果、分布特點(diǎn)、量級(jí)和變化趨勢(shì)都與聲輻射力一致。因此認(rèn)為聲輻射力是滴狀過(guò)渡熔滴尺寸減小的主要原因。
　　利用高速攝像觀察到超聲-GMAW復(fù)合