等离子—缆式七丝MIG复合焊电弧耦合行为数值模拟研究

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制造业离不开焊接。随着现代工业的发展,涌现出了各种新材料及超薄和超大、超厚结构,对焊接效率和质量提出了更高要求,导致传统焊接工艺很难满足现代生产的要求。等离子-缆式焊丝MIG复合焊是将等离子弧焊与高效缆式焊丝MIG复合而成的一种高效焊接新技术,具有广阔的应用前景。但对其电弧耦合行为机理研究仍然较少。为此,本研究通过数值模拟研究了等离子-缆式焊丝MIG复合焊的电弧耦合行为。首先,以能量,质量,动量三大守恒方程以及麦克斯韦方程组为基础,建立了等离子-单丝MIG复合电弧三维数值模型,然后利用FLUENT软件设置边界条件以及初始化条件,并使用SIMPLEC算法计算了在不同等离子弧电流下(100A、125A、150A)的等离子-单丝MIG复合焊温度场分布,并通过三组试验并拍摄电弧图像对等离子-单丝MIG复合焊的模型正确性做了验证。其次,在等离子-单丝MIG模型的基础上建立了等离子-缆式七丝MIG复合焊三维数值模型。在MIG直流反接的情况下详细研究了五种不同参数(等离子弧焊接电流、MIG焊接电流、等离子气体流量、等离子保护气体流量、MIG保护气体流量)对复合焊耦合电弧的影响。结果表明,当等离子弧焊接电流增大时,等离子弧的电流密度、温度、速度以及压力均有明显的提升,其中温度最大值从50A时的16716.5.7K上升到150A时的33301.6K。在工件表面处的温度分布表明两个电弧间的排斥效果也随着等离子电流的增加而增加。当MIG焊接电流不断增大时,复合焊电弧的电流密度、温度、速度以及压力均呈现上升的趋势。并且随着MIG焊接电流的增加,MIG电弧的作用范围变的更大,并且工件表面处各物理参数的最大值均保持在相同位置。随着等离子气体流量变大,等离子弧的收缩作用显著增强,电弧的各物理参数最大值均呈现上升的趋势,其中温度最大值从133714.7K上升到15951.9K。当等离子气体流量较小时,电弧的挺直性变差,易发生偏转,增大等离子气体流量能够使等离子电弧能量更加集中,电弧挺直性提高。等离子保护气应采取适当的参数,如果过大则会将两个电弧分裂成两个独立的电弧,耦合效果变差。增大MIG保护气体流量对电弧最显著的作用是改变MIG电弧的形态,将MIG弧下端的偏转现象得到改善,使之能够更好地与等离子弧进行耦合。最后计算了MIG直流正接时的等离子-缆式七丝MIG复合焊的电弧耦合行为,在改变不同的焊接参数时,通过对比研究了电流极性对复合焊电弧的影响。结果发现,等离子电流采用直流正接,MIG电流采用直流正接时,两个电弧之间会有明显的吸引现象,当MIG电流采用直流反接时,两个电弧之间会发生排斥,这是由电流产生的磁场之间的相互作用引起的。本文通过对等离子-单丝MIG复合焊以及等离子-缆式七丝MIG复合焊进行模拟计算,加深了对等离子-MIG复合焊接物理过程的理解,对等离子-缆式七丝MIG复合焊的实际工程应用中提供了理论基础。
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