基于电弧力调控的CO2气体保护焊熔滴激振技术研究

基于能量最小原理采用Surface Evolver软件对CO_2气体保护焊熔滴形态进行了数值模拟,分析了不同尺寸的熔滴在不同焊接电流下的稳定熔滴形态,从理论上预测得出了CO_2气体保护焊在由大电流切换到小电流时,熔滴可由排斥状态转变为垂顺状态,甚至可以激发焊丝轴向的熔滴振荡。进而采用脉冲电流波形对此进行了试验验证,结果表明,将电流由峰值切换到基值,可以使熔滴由被托起状态转变为下垂状态,在熔滴较小、脉冲峰值较高且脉宽较小时,熔滴在峰值期间被轴向托起压缩没有径向排斥偏转,切换到基值后熔滴由排斥压缩状态回弹并开始较强烈的熔滴振荡,随着振幅衰减逐渐达到基值电流下的稳定形态。利用这一振荡将有助于实现CO_2气体保护焊稳定轴向自由无飞溅熔滴过渡的控制。

电阻加热金属丝材熔滴过渡的产热机制与熔化行为研究

根据电阻加热金属原理,提出了一种适用于空间环境的金属成形方法:电阻加热金属丝材熔敷成形技术。将金属丝材与基板短路,可编程电源输出的电流流过金属丝材与基板产生电阻热,金属丝材开始熔化与过渡。电压电流采集系统与高速摄像系统分别对电信号和图像实时同步采集,分析金属丝材熔化过程和过渡行为的电信号与图像的变化,研究电流波形和电流大小对金属熔体的影响,分析电阻加热金属丝材过程动态电阻的变化趋势,通过不同空间位置下金属熔体向基板过渡的行为,研究重力对金属熔体在过渡阶段的影响。结果表明,恒流电流加热金属丝材时,改变电流大小可以改变金属熔体的总热量,但无法精确控制加热速率和热量的输入;脉冲电流加热金属丝材时,通过脉冲个数精确控制加热速率和热量输入。在过渡阶段,当恒流电流工作时,熔体受到一个固定方向的力直至过渡;当脉冲电流工作时,熔体受力摆动过渡。2种电流分别加热金属丝材时,金属丝材的动态电阻变化趋势基本相同且与金属丝材的熔化状态对应。在地面环境下,金属熔体过渡阶段受到表面张力、电磁收缩力作用,使其可以克服重力过渡至基板,验证了电阻加热金属丝材熔敷成形技术在空间环境下的可行性。

K-PAW准稳态过程小孔与熔池动态行为的数值模拟

基于流体动力学原理，同时考虑电弧压力、表面张力、电磁收缩力、浮力和重力等因素影响，建立了随小孔深度增加热力作用二次变化的三维瞬态计算模型．利用上部双椭球体下部锥体的组合式体积热源描述等离子电弧对焊接工件的热作用，提出了可以维持小孔稳定的“孔内固体搅动式”计算方法．为了提高计算效率，建立了相对焊缝纵截面对称的计算区域：计算过程利用流体体积函数（VOF）法追踪小孔边界，基于FLUENT软件对穿孔型等离子弧准稳态焊接过程进行了数值模拟，得到了准稳态焊接过程中小孔、熔池及流场的动态变化行为，分析了穿孔型等离子弧焊接（K—PAW）准稳态过程的稳定性，探讨了影响小孔稳定的工艺因素，最后进行了计算模型的验证实验．结果表明，在设定的焊接工艺参数下，3．0s之后焊接过程达到准稳态，准稳态焊接过程中小孔前壁熔池较薄，平均厚度为0．6mm，且小孔前壁有一定倾斜现象，使得背面小孔中心相对焊接中心向后偏移，焊接不同时刻偏移量在0．46～0．97mm之间波动．在准稳态焊接过程中熔池内存在稳定的逆时针涡流，计算所得的背面小孔宽度与实验结果吻合良好．