三元保护气窄间隙GMA焊电弧特性及熔化行为的研究.pdf

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1、博士学位论文三元保护气窄间隙GMA焊电弧特性及熔化行为的研究RESEARCHONARCCHARACTERISTICSANDMELTINGBEHAVIORSOFTERNARYGASSHIELDEDNARROWGAPGMAWELDING蔡笑宇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG444.2学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工学博士学位论文三元保护气窄间隙GMA焊电弧特性及熔化行为的研究博士研究生：蔡笑宇导师：林三宝教授副导师：范成磊副教授申请学位：工学博士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位

2、单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG444.2U.D.C:621.7DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONARCCHARACTERISTICSANDMELTINGBEHAVIORSOFTERNARYGASSHIELDEDNARROWGAPGMAWELDINGCandidate：CaiXiaoyuSupervisor：Prof.LinSanbaoAssociateSupervisor：AssociateProf.FanChengleiAcademicDegreeAppli

3、edfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsSci.&Eng.DateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要窄间隙焊接技术是在厚板对接焊中，采用窄而深的间隙来代替大角度坡口的一种高效率的焊接方法。窄间隙GMA焊因具有填充金属少、焊接效率高及焊接接头性能好等优点，在制造业中拥有良好的应用前景。窄间隙

4、GMA焊中常见的问题为侧壁熔合不良，在工艺上常通过扩大电弧作用区域来促进侧壁熔合。电弧焊中，保护气电离形成电弧等离子体，所以保护气的物理特性能够决定焊接电弧的特性，而电弧特性的改变将直接影响金属熔化行为，所以通过优化保护气来改善焊接过程、提升焊接质量应是一种有效的方式。厚板低合金钢材的窄间隙GMA焊中常用的保护气为Ar-CO2二元气体，He气具有高热导率、高电离能等特殊性质，在保护气中加入He气会提升电弧能量，增加金属的熔化效率，所以本文提出将He气应用到窄间隙GMA焊接中，利用Ar-CO2-He三元保护气进行厚板窄间隙GMA焊，通过He气的加入来保证侧壁熔深

5、。文中逐步进行了Ar-CO2-He三元气体保护下的平板GMA堆焊、窄间隙单丝GMA焊以及窄间隙双丝GMA焊接试验，详细而全面地讨论了保护气成分，尤其是不同含量He的加入，对焊接电弧特性的影响，揭示电弧特性的改变对熔滴过渡及焊缝成形的影响机制，并最终优化出适用于窄间隙GMA焊接的三元保护气。本文开展的研究既有助于阐明保护气成分对焊接过程的影响机理，也对进一步提升窄间隙GMA焊接质量稳定性有重要意义。在平板GMA堆焊中，单一变化He含量与CO2含量，电弧随He或CO2含量的增加而横向收缩，弧长减少。建立二维数值模型计算电弧特性，发现随着保护气中He含量的增加，电弧

6、整体温度场收缩，但中心高温区扩张，电弧轴心处电流密度增加，电流分布更加集中，工件表面的热流密度增加。分析熔滴受力状态，阐明了不同保护气成分比例下熔滴受力的变化影响了熔滴过渡行为，随He或CO2含量增加，熔滴过渡频率降低，熔滴尺寸增加。电弧特性与熔滴过渡影响熔池流动及焊缝成形，随He含量的增加焊缝形貌由“指状”向“碗状”转变。在单丝窄间隙GMA中，恒压焊条件下，保护气中CO2含量的增加使得电弧长度明显减少，He气含量的增加使得焊接电弧长度略有降低，但是弧心扩展。保护气成分的变化改变了电弧稳定燃烧的静态工作点。脉冲电弧作用下，电弧长度随CO2含量的增加而减少，He

7、含量的增加使得峰值电弧宽度增加。随He含量或CO2含量的增加，熔滴过渡频率降低，在9m/min的送丝速度下，熔滴-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文过渡形式由脉冲射流过渡向一脉多滴再向一脉一滴的过渡形式转变。侧壁熔深随He或CO2含量适量的增加而增加，He气含量的增加对侧壁熔深的提升效果更为明显，当保护气中He含量为10%的时候，对单丝脉冲窄间隙GMA焊的侧壁熔深可提升约60%。双丝窄间隙GMA焊中，熔滴过渡具有其特殊性：当保护气成分为90%Ar-5%CO2-5%He时，在两根焊丝焊接预设参数相同的情况下，由于双丝纵向排列，从丝受到主弧的预热作用，从弧的焊接电

8、流要高于主弧的焊接电流，两根焊丝的熔滴