双丝GMA熔池液面波动的数值研究

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焊接已经成为装备制造业中必不可少的连接手段。为了提高焊接效率,脉冲双丝GMA焊在实际中得到了越来越广泛的应用。目前有关双丝GMA熔池液面波动的研究还未见相关报导,而焊道波纹成形是焊接质量十分重要的一方面。数值模拟是研究双丝GMA熔池液面波动的十分有效的方法,能够提供熔池液面动态波动的定量计算结果。本文重点分析双丝GMA电弧、工件的交互界面——熔池自由表面的瞬态波动行为。从薄膜振动出发,结合波动理论,在分析低碳钢母材未熔透熔池上表面受力的基础上,分别考虑电弧压力、熔滴冲击力,建立电弧诱导和冲击熔滴作用下的熔池液面的波动方程。采用模块式设计思路,在Intel Visual Fortran平台上编译程序。利用所建立的数学模型,对电弧诱导、单丝熔滴冲击和双丝GMA熔池液面的波动位移和波动速度的动态变化进行了数值模拟,研究了不同脉冲电流参数对熔池液面瞬时波动行为的影响,并对模拟结果作了实验验证。结果显示:电弧诱导下的熔池液面波动在基值电流向峰值电流转变时具有最大位移和最大速度,且靠近焊接方向处的波动位移较后部位移偏大;单丝熔滴引起的熔池液面波动在熔滴冲击时刻产生了向下的最大波幅,冲击的最大速度达到了-35m/s,波纹传播的平均速度约是2.5m/s;双丝GMA熔池液面在熔滴冲击时刻的最大波幅约为-1.0mm,速度达到了-48m/s,此后波动位移在液态金属粘滞阻力和表面张力的作用下衰减得非常迅速,后丝熔滴冲击产生的波纹在熔池液面上具有更为完整的形态。总的来看,电弧诱导产生的液面波纹范围大、取值小,并且衰减得最厉害,双丝GMA熔池液面波动能够促进熔池前方金属的融化,但对熔池尾部焊道波纹的成形没有实质性的影响,在本研究所采用的材料物性参数和焊接工艺参数条件下,相邻脉冲周期内的波动互不干涉。单丝GMAW熔池液面波动的模拟结果与实测结果基本吻合。调整所编程序,依次计算了基值电流一定,峰值电流取300A时电弧诱导下的熔池液面波动和焊接电流增大到200A、250A时熔滴冲击双丝GMA熔池液面引起的瞬时波动。结果表明:峰值电流的增大造成熔池液面的波动位移和波动速度也相应增大,但波动周期并未发生太大变化;焊接电流增大后,熔池液面的波动位移和波动速度均呈现出接近线性衰减的现象。本课题的研究将为深入理解双丝GMA焊的机理、优化焊接电流参数奠定坚实的基础,能够为高速双丝GMA技术在工业中的应用和新型双丝GMA焊接电源的优选设计提供理论指导和基础数据。
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