受控脈沖穿孔等離子弧焊接熔池動(dòng)態(tài)傳熱特性

針對(duì)中厚板結(jié)構(gòu)焊接制造面臨的效率、質(zhì)量和成本問題，基于工程熱物理與材料焊接加工的學(xué)科交叉，研究了受控脈沖穿孔等離子弧焊接新工藝所涉及的熔池與小孔動(dòng)態(tài)耦合傳熱特性。解決的關(guān)鍵問題和創(chuàng)新性研究成果概述如下： （1）自主研制了“受控脈沖穿孔等離子弧焊接系統(tǒng)”，搭建了穿孔等離子弧焊接熔池與小孔傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)。（2）在不同工藝條件下測(cè)試了熔池內(nèi)小孔的形狀尺寸與位置信息，揭示了熔池穿孔過程各階段小孔特征參數(shù)的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律。（3）實(shí)現(xiàn)了雙視覺傳感器的信息融合，同步獲取了工件背面的小孔圖像及熔池溫度場(chǎng)圖像。選用合適的采集窗口，利用單一CCD攝像頭獲得了熔池與小孔的一體化圖像。（4）基于熔池表面的受力狀態(tài)，建立了小孔形狀的瞬態(tài)模型，定量分析了受控脈沖條件下熔池內(nèi)小孔在一個(gè)脈沖周期內(nèi)“形成-長(zhǎng)大-縮小-閉合”的周期性演變過程。（5）建立了穿孔等離子弧焊接三維瞬態(tài)流場(chǎng)與熱場(chǎng)的數(shù)值分析模型，追蹤小孔界面的演變過程，實(shí)現(xiàn)了帶有瞬態(tài)變化小孔的熔池流體流動(dòng)與傳熱過程的數(shù)值模擬。（6）綜合上述的理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，優(yōu)化了受控脈沖穿孔等離子弧焊接工藝與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中厚度不銹鋼板的優(yōu)質(zhì)、高效、低成本焊接。 總結(jié)研究結(jié)果，已經(jīng)發(fā)表論文67篇。其中，國際期刊論文18篇、國內(nèi)核心期刊論文19篇、國際會(huì)議論文19篇、全國性會(huì)議論文11篇。在美國出版英文專著1部。申請(qǐng)中國發(fā)明專利1項(xiàng)。發(fā)表的論文中，被SCI收錄22篇、EI收錄12篇。在國際會(huì)議做大會(huì)報(bào)告(Keynote) 2次、特邀報(bào)告(Invited) 4次。 2100433B

針對(duì)高性能金屬材料中厚板重大復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接制造面臨的效率、質(zhì)量和成本問題，基于工程熱物理與材料焊接加工的學(xué)科交叉，研究受控脈沖穿孔等離子弧焊接新工藝所涉及的熔池與小孔動(dòng)態(tài)耦合傳熱特性。研究受控脈沖穿孔條件下等離子弧熱-力特性及其與熔池的相互作用、等離子弧-液-固之間的界面熱-力作用機(jī)制及其所引起的熔池流體流動(dòng)與傳熱過程、小孔形成-長(zhǎng)大-縮小-閉合的瞬態(tài)演變特性及其描述與追蹤方法。定量分析帶有快速周期性變化小孔的熔池動(dòng)態(tài)傳熱特性與熱滯后效應(yīng)，實(shí)測(cè)不同工藝條件下等離子弧焊接熔池、小孔和焊縫的形狀尺寸與溫度分布以及熔池的穿孔狀態(tài)。基于熔池與小孔特殊熱物理形態(tài)的理論與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，建立焊接工藝參數(shù)－熔池與小孔動(dòng)態(tài)傳熱機(jī)制－焊縫成形質(zhì)量之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化受控脈沖穿孔等離子弧焊接工藝參數(shù)、實(shí)現(xiàn)新型高性能金屬材料的優(yōu)質(zhì)、高效和低成本焊接加工，促進(jìn)我國重大裝備制造技術(shù)水平的提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

中厚板鋁合金采用變極性穿孔等離子弧立焊工藝可以最大程度抑制氣孔產(chǎn)生，提高接頭強(qiáng)韌性質(zhì)量，其關(guān)鍵是保持穿孔熔池的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的穿孔是等離子電弧力、熔池的表面張力和重力等共同作用的結(jié)果。本課題提出一種采用多種不同頻率脈沖相互調(diào)制的變極性電流波形進(jìn)行鋁合金變極性穿孔等離子弧立焊。以電弧物理理論為基礎(chǔ)建立變極性等離子弧和穿孔熔池的耦合模型，配合電弧能量分配和電弧力分布的試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)變極性電流波形對(duì)陰極清理和電弧壓力分布的影響、高頻脈沖調(diào)制的變極性焊接電流波形的電弧拘束作用對(duì)電弧挺度和能量密度的影響、低頻脈沖調(diào)制的變極性焊接電流對(duì)穿孔熔池產(chǎn)生的持續(xù)沖擊力對(duì)穿孔的尺寸變化、熔池流動(dòng)和結(jié)晶過程的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過對(duì)等離子弧及尾焰的電壓和電流分析，提出表征穿孔穩(wěn)定性的特征信號(hào)，利用等離子電弧自身傳感進(jìn)行穿孔熔池的穩(wěn)定閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)變截面結(jié)構(gòu)件的等離子穿孔立焊，拓寬等離子穿孔焊接工藝的應(yīng)用范圍。 2100433B

利用等離子弧能量密度和等離子流力大的特點(diǎn)，可在適當(dāng)參數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)熔化穿孔型焊接。這時(shí)等離子弧把工件完全熔透并在等離子流力作用下形成一個(gè)穿透工件的小孔，熔化金屬被排擠在小孔周圍。隨著等離子弧在焊接方向移動(dòng).熔化金屬沿電弧周圍熔池壁向熔池后方移動(dòng)，于是小孔也就跟著等離子弧向前移動(dòng)。穩(wěn)定的小孔焊接過程是不采用襯墊面實(shí)現(xiàn)單面焊雙面一次成形的好方法。

一般大電流(100~300A)等離子弧焊都采用這種方法。應(yīng)該指出的是，穿孔效應(yīng)只有在足夠的能量密度條件下才能形成，板厚增加時(shí)所需能量密度也增加。

選擇穿孔型等離子弧焊工藝參數(shù)時(shí)，一般首先按所需電流確定噴嘴孔徑。2100433B