焊接电弧行为特征和稳定性评价研究与进展

电弧是最常用的焊接热源,对焊接电流和电弧电压的动态变化规律、电弧形态及其动态行为和特征参数等进行研究和分析,可实现对焊接过程稳定性的评价和有效控制,有助于提高焊接制造的智能化水平、焊缝成形和焊接接头质量。归纳总结了国内外学者在分析处理焊接电流和电弧电压信号以对焊接工艺稳定性进行评价、基于视觉传感和图像处理的电弧燃烧和熔滴过渡行为表征和定量分析、焊接电弧数值模拟等方面的研究和发展,以期对焊接电弧及其动态行为特征的研究方法、现状有一个全面和充分的认识,促进研究工作的深入开展和在工程实际的广泛应用。

角接头电弧行为数值分析模型

综合考虑接头几何特征影响,建立了倾斜电极条件下角接头TIG焊电弧三维非对称数值分析模型.基于所建模型,利用FLUENT软件对不同接头角度下焊接电弧温度场、流场、压力场和电势场进行模拟计算.结果表明,模型能够合理反映TIG焊电弧行为特征.电弧形状呈现扁平非对称钟罩型;接头夹角对电弧横断性形态影响相对较大.随着接头夹角的增加,电极端部附近电弧等离子体峰值温度与峰值流速均有所增加,电弧电势峰值也有所提高;同时,电弧挺度增大,但工件表面压力峰值下降明显.

氦-氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧特性数值分析

目的研究激光+电弧复合焊中氦−氩混合保护气体成分对电弧等离子体物理特性的影响,从而改善焊接性能。方法综合考虑角接头几何特性和氦−氩混合保护气体的物理特性,建立氦−氩混合保护气体角接头旋转激光+电弧复合焊电弧行为的数值分析模型。使用FLUENT软件对不同体积比氦−氩保护气体下电弧等离子体的温度场、流场、压力场和电势场进行模拟计算,对比分析保护气体成分改变对电弧等离子体的影响规律,考虑其对焊接性能的影响,并将计算结果与高速摄影试验进行对比,验证数值分析模型的准确性与合理性。结果保护气体分别为纯Ar、95%Ar+5%He、90%Ar+10%He时,电弧向激光侧偏移收缩,电弧整体形貌被压缩,位置A纵截面处电弧等离子体的峰值温度分别为25603、25080、23904 K,最大流速分别为336.34、334.34、317.58 m/s,压力最大值分别为899.08、943.40、957.67 Pa,电势梯度分别为11.56、12.17、13.18 V。结论在氦−氩混合保护气体激光+电弧复合焊中,当保护气体中氦气体积分数增加到5%和10%时,随着氦气所占比例的增大,电弧处于动态变化过程,电弧被压缩,等离子体的峰值温度逐渐降低,最大流速下降,电弧压力和电势梯度增大,有利于焊缝熔深的增大。

电极结构对滑动弧放电等离子体尺寸的影响规律

为得到电极结构(电极长度和电极张角)对滑动弧放电等离子体尺寸大小的影响规律,设计并制作了一套易于更换电极、调整电极间距的滑动弧等离子体发生装置。利用示波器对滑动弧放电等离子体的电信号进行测量,结合高速摄影仪和DV相机对滑动弧放电图像进行了记录与分析。试验结果表明:随着气体流量的增加,滑动弧放电呈现3种状态;稳定的滑动弧放电等离子体的电压波形是一种周期性的电压峰值逐渐增大的波形,它反映了电弧的产生、移动和熄灭。利用流量计控制气体体积流量为10 L/min,在张角为30°的情况下,等离子体长度随电极长度的增加而逐渐减小,并且在电极长度达到50 mm时,等离子体已无法超出电极末端。等离子体宽度是在电极长度为20 mm时达到最大。保持电极长度为20 mm,改变电极张角,发现张角越大,电弧沿电极的滑动距离越小,电极引导电弧滑动的作用无法得到充分发挥,导致滑动弧放电等离子体的尺寸减小。