磁控大电流CO2焊接短路过渡数值模拟与组织性能研究

作     者：任博文 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常云龙;王伟

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：CO2焊 磁控焊接 数值模拟 低飞溅 焊缝成形 

摘      要：大电流CO气体保护焊具有成本低、效率高等优点,在工业生产中得到广泛应用,但飞溅大、成形差等缺点阻碍了其进一步发展。利用外加磁场可对焊接过程进行控制,但已有的实验检测手段对磁控机理研究非常有限。本文采用数值模拟与实验验证相结合的方法,较为系统的研究了外加纵向磁场下电弧、熔滴和熔池的物理行为,并对不同励磁参数下熔滴过渡过程、焊缝成形、焊缝微观组织和性能的变化规律进行总结。建立磁控大电流CO焊接电弧数值分析模型,分析不同参数纵向磁场对电弧的影响。在纵向磁场作用下CO焊电弧形态呈现收缩现象,电弧腰部收缩明显;电弧温度、电势、速度以及电流密度的最大值随着励磁电流的增大均得到提升;电弧内部压力场由单峰值分布转变为双峰值分布,电弧中心出现低压空腔,励磁电流为7 A时电弧中心压力甚至变为负值;纵向磁场下的电弧等离子体绕焊丝轴线方向做高速螺旋运动,等离子体在外加磁场方向为正时沿顺时针方向旋转,磁场为负时方向相反。建立磁控CO焊接熔滴-熔池耦合模型,分析外加纵向磁场对熔池温度场和流场的影响规律。在纵向磁场作用下熔池内液态金属径向流动增强,传热传质行为加快,整体呈现出宽而浅的熔池形态;电弧作用区域熔池电流密度较高,受到磁场作用效果较强,液态金属呈现出旋转趋势,且旋转方向与电弧等离子体的旋转方向相同。利用高速摄像系统对焊接熔滴过渡过程进行采集,施加磁场可增强熔滴轴向过渡倾向,减小熔滴尺寸,缩短燃弧和短路时间,提高熔滴过渡频率,减少焊接飞溅,飞溅率由不加磁场时的5.68%降低至3.07%。对焊缝截面尺寸进行分析,施加磁场后焊缝熔宽增大,余高和熔深减小。纵向磁场对焊缝区组织具有细化效果,焊缝区晶粒度G由11.0提升至12.4。磁场下焊缝力学性能得到一定程度增强,焊缝硬度由无磁场条件下的226.6 HV提升至258.8 HV,焊缝抗拉强度由567.6 MPa提升至607.8 MPa。