熔滴冲击下MIG焊接熔池的计算机模拟

本文结合ＭＩＧ焊过程熔滴与熔池作用的特点，建立了熔滴冲击下三维运动ＭＩＧ焊接熔池中流体流动及传热过程的数值分析模型，该模型全面地考虑了熔滴过渡带入熔池的热量，动量和熔池产生的表面变形，成功地模拟了ＭＩＧ焊接熔池流场，热场及表面变形。     

熔滴冲击下MIG焊接熔池的计算机模拟

本文结合ＭＩＧ焊过程熔滴与熔池作用的特点，建立了熔滴冲击下三维运动ＭＩＧ焊接熔池中流体流动及传热过程的数值分析模型。该模型全面地考虑了熔滴过渡带入熔池的热量、动量和熔池产生的表面变形，成功地模拟了ＭＩＧ焊接熔池流场、热场及表面变形     

熔滴热焓量分布模式对熔池流场的影响

通过对熔滴过渡工过程的能量和动量分析,建立了熔滴热焓量在表面变形熔池内部的分布模式,以此为基础采用数值模拟技术研究了熔通过渡类型和表面活性元素对ＭＩＧ焊接熔池流场的影响,揭示了溶滴过渡类型和表面活性元素与ＨＩＧ焊接熔池流场的相互影响规律,并对计算模型的可靠性进行了实验验证。     

TIG焊接熔透熔池的数学模型

根据流体力学理论和变分法原理，推导出了熔透情况下ＴＩＧ焊接熔池上表面和下表面变形的方程，建立了ＴＩＧ焊接熔透熔池流场与热场的数值分析模型，采用非正交贴体曲线坐标系成功地处理了熔池表面的曲面边界，将熔透情况下熔池上下表面变形的计算，与熔池流场与热场的计算相结合，不仅较好地计算出熔池的流场与热场，同时求得了焊接熔池的上下表面变形。焊接工艺试验表明，根据该模型计算的焊缝成形与试验测试结果吻合程度良好。     

MIG(MAG)脉冲焊熔滴的过渡行为

利用微机控制脉冲电源，配合高速摄影，研究了脉冲ＭＩＧ焊各种熔滴过渡形式的过渡行为及其对焊缝成形的影响，研究结果表明，一个脉冲可以过渡多滴，一滴，或多个脉冲过渡一滴，不同熔滴过渡形式，熔滴的体积，速度及冲量参量都不一样，对焊接过程及焊缝成形也有影响，只有一脉冲一滴在基值电流期间过渡是最佳的熔滴过渡形式。     

焊接热输入对HQ130钢焊接热影响区组织硬度的影响

ＭＩＧ／ＭＡＧ焊接热输入包括焊接电弧热流和熔滴带入熔池的热焓量两部分,本文以作者提出的焊接热输入分布模型为基础,建立了熔流场和温度场的数值分析模型,采用数值模拟技术研究了焊接热输入对ＨＱ１３０钢焊接热影响区（ＨＡＺ）组织和硬度的影响规律,给出了不同焊接热输入时ＨＡＺ不同部位奥氏体晶粒尺寸及组织和硬度的计算结果,实验表明,ＨＱ１３０钢焊接热循环及ＨＡＺ组织,硬度的计算值和值吻合良好。     

碱性渣系气体保护药芯焊丝立向上焊接工艺

采用平板对接立向上焊接、焊接电弧物理观察等试验方法，观察了碱性渣系气体保护药芯焊丝熔滴过渡和电弧特性，研究了立向上焊焊缝成形机理及影响因素。结果表明，碱性焊丝立向上焊时，粗熔滴非轴向过渡和集中、活动型电弧特性使熔滴过渡的定向性很差，熔滴飞溅增大；碱性熔渣的流动性大，凝固速度慢，对熔池的扶托作用差，熔池的形状较难控制，焊缝成形相对困难。采用合理的、最佳匹配的焊接参数和有效的操作技术和运丝方式是获得满意立向上焊缝的必要条件。     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

脉冲MIG／MAG焊接自适应模糊控制系统的研究

脉冲ＭＩＧ／ＭＡＧ焊接熔滴过渡的控制是焊接技术研究领域至今尚未取得突破性进展的研究课题。本文首次提出自适应模糊控制方案对脉冲ＭＩＧ／ＭＡＧ焊接熔滴过渡进行在线实时控制，建立了以全数字控制ＩＧＢＴ逆变弧焊电源为核心的自适应模糊控制系统，对自适应模糊控制系统进行了设计和８０９８单片微机程序控制。最后，对自适应模糊控制系统进行了应用研究，试验结果表明，达到了设计要求。     

CMT焊接熔滴过渡动态过程模拟与熔池流体动力学行为

针对CMT焊接这种独特的熔滴过渡过程,通过流体动力学方法对CMT熔滴过渡动态过程进行模拟,定量分析焊接工艺参数对熔滴过渡动态过程的影响规律;建立CMT焊接熔池温度场和流场的三维非稳态模型,定遍分析浮力、电磁力、表面张力、熔滴冲击力,以及相变潜热及其综合作用对焊接温度场、速度场和熔池形态的影响;     

基于改进热源模型的铝合金MIG焊数值分析

采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为,确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度.在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下,从宏观焊接热过程出发,提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式,MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型,熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型.同时,在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能,实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响.基于上述热源模型,建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型,对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟.结果表明,模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合,证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.     

等离子弧-MIG焊丝振荡式复合焊接工艺

针对现有的等离子弧-MIG复合焊接过程中的双弧排斥问题,基于MIG焊丝位移规律性改变提出了一种新型的MIG焊丝振荡与等离子弧共熔池的复合焊接工艺.通过调节MIG焊丝电机转速(振荡频率)和振荡振幅进行了焊接工艺试验.结果表明,随着电机转速(振荡频率0～41 Hz)的增加,等离子弧与MIG电弧排斥减弱,耦合趋势增大.尤其是电机转速为2 000 r/min(振荡频率33 Hz)时,共熔池复合焊接效果较好;MIG焊炬振荡振幅为1 mm时,电弧形状最为稳定,但振荡频率和振荡振幅过大均不利于焊接过程稳定性;MIG焊炬振荡提高了熔滴过渡频率,使焊丝尖部呈现小熔滴过渡,减小了焊接飞溅.对接试验力学性能测试表明,抗拉强度、抗弯强度均随振荡频率的提高呈现先增大后减小趋势,分析认为MIG焊炬振荡具有一定搅拌熔池的作用,有效提高了焊接接头的力学性能.     

脉冲等离子-MIG复合焊熔滴过渡行为研究

将脉冲等离子电弧与MIG电弧同轴复合,期望利用等离子弧脉冲峰值电流产生的高速等离子射流冲击熔滴和熔池,促进熔滴过渡,同时增加焊缝熔深。开发了一套高速视觉与电信号精确同步的焊接数据采集系统,对脉冲等离子-MIG复合焊熔滴过渡行为进行研究。研究发现将等离子电流调制成脉冲波形,等离子弧对工件总体热输入下降,等离子峰值电流产生的等离子流力可以有效促进熔滴过渡。在此基础上深入分析了等离子脉冲峰值电流、脉冲宽度及熔滴在等离子弧过渡位置等参数对熔滴过渡的影响,获得了脉冲等离子-MIG复合焊一脉一滴过渡的工艺参数窗口。     

高速TIG-MIG复合焊焊缝驼峰及咬边消除机理

搭建了TIG-MIG复合焊试验平台及电参数-高速图像同步采集系统,进行了一系列低碳钢高速TIG-MIG复合焊工艺试验,研究了高速TIG-MIG复合焊的电弧形态、熔滴过渡及熔池行为对焊缝成形的影响,并确定了合适的匹配参数.结果表明,MIG焊电流在240~300 A,且TIG焊电流与MIG焊电流相当时,TIG-MIG复合焊焊接过程稳定,即使在焊接速度高达2.5 m/min时,焊缝仍无驼峰、咬边等缺陷,与传统MIG焊相比,熔深增加,熔宽减小.TIG-MIG复合焊由于电弧间的相互作用,两电弧指向发生偏转,电弧压力减小,焊接过程不产生弧坑,且熔宽变窄,这是避免驼峰和咬边缺陷的主要原因.     

高速列车用铝合金三元气体保护焊技术

研究了氩氦氮三元气体保护焊条件下的铝合金焊接技术,获得了高质量的焊接接头.结果表明,三元气体保护焊电弧收缩显著,溶滴过度稳定,改变铝合金MIG焊的电弧能量密度与温度分布,相对纯氩气体保护焊同等焊接电流下熔深显著增加,熔池流动行为及接头组织改善,冲击韧性和疲劳强度显著提高,阴极清理范围窄,焊缝表面光泽度高,电弧焊焊接操作性好.试验表明三元混合气体保护焊可以提高铝合金焊接质量,具有很高的工程应用价值.     

Three-dimensional turbulent weld pool convection in gas metal arc welding process

Abstract

A three-dimensional model has been developed to study turbulent fluid flow and heat transfer in a gas metal arc weld pool. The phase change process during melting and solidification is modelled using the enthalpy–porosity technique. Mass and energy transports by droplet transfer are considered through a thermal analysis of the electrode. The droplet heat addition into the molten pool is considered to be in the form of a volumetric heat source distributed in an imaginary cylindrical cavity within the weld pool ('cavity' model). A two-equation k-ε model capable of addressing turbulent weld pool convection, taking into account the morphology of the phase change, is presented. The weld pool dynamics and geometry (shape and size) in a moving gas metal arc welding (GMAW) process are studied and the effects of enhanced diffusivities on the turbulent weld pool are discussed. The predicted weld pool geometry using laminar and turbulent models is also compared with corresponding experimental post-weld sections.     

纵向磁场作用下MIG焊熔滴过渡过程的分析

以外加间歇交变纵向磁场MIG焊接铝合金为研究对象,采用高速摄像技术拍摄熔滴形成、长大及脱离的过程,观测并分析外加纵向磁场和不加纵向磁场时熔滴过渡的特点.结果表明,外加间歇交变纵向磁场的熔滴在过渡过程中发生了明显变化,其形态由不加磁场时的球形变为扁长的椭球形,偏离焊丝轴线下落,并且熔滴自身发生旋转.在磁场频率相同的情况下,激磁电流较小时熔滴过渡所需时间在4.5～6 ms范围,激磁电流较大时熔滴过渡所需时间在5～15 ms范围内,可知激磁电流对熔滴过渡影响较大.     

Study of laser MIG hybrid welded AZ31 magnesium alloy

Abstract

The laser metal inert gas (MIG) hybrid welded AZ31 magnesium alloy is discussed in weld shape, microstructure characteristics and mechanical properties in comparison of single laser and arc welding. The stable MIG arc, reliable droplet transfer and regular weld that are hardly obtained in single MIG welding can be obtained in hybrid welding by laser arc synergic effects. The ultimate tensile strength and elongation of hybrid weld are far higher than those of laser weld and reach 97·8 and 87·5% of base metal respectively. Under this experimental condition, the efficiency of hybrid welding is 1·20 times faster than that of single laser welding. Between the wide upper part (arc zone) and the narrow lower part (laser zone), obvious difference is observed. Arc zone has coarser grain size and wider partial melted zone than laser zone. Finally, the porosity reduction mechanism of hybrid weld is discussed according to the weld pool shape and the acting forces on it.     

Effects of bypass current on the stability of weld pool during double sided arc welding

The arc behaviour and flow patterns in the weld pool were monitored with a high speed camera and the pressure distribution of the MIG–TIG coupling arc was measured through a specially devised method involving a micro-orifice for quick ignition. The bypass current changed the geometry of the weld pool in such a way that the acting forces remained in equilibrium stabilising the pool, the weld depression was eliminated and the pressure at the arc centre decreased by a factor 4. The overall welding efficiency increased as much as the quality of the welds.