高速焊是高效化焊接研究的重要分支,对提升焊接生产技术水平具有十分重要的意义,但长期以来,高速焊接时存在的驼峰焊道和咬边缺陷问题严重制约了高速焊技术的发展。论文提出“熔池流动动量分析方法”对驼峰焊道和咬边缺陷的形成机理进行解释,提出“焊接熔池补偿气体射流方法”用于抑制驼峰焊道和咬边缺陷,并进行了理论和试验研究。本文主要研究内容和创新点如下:1、论文提出一种“熔池流动动量分析方法”解释驼峰焊道形成机理,该方法将焊接过程中的熔滴、母材与熔池液流作为三个独立对象进行研究,从运动速度和动量角度比较常规焊接与高速焊接熔池差异,指出熔池液流相对母材动量大小是高速焊接时驼峰焊道形成的主要原因之一。在高速焊接状态,熔滴的前向初始动量较大,熔池液流受电弧力、气流力作用时间短,导致熔池液流与母材的相对动量较小,液态流输运液态金属的能力明显下降,无法实现在熔池尾部形成具有恒定高度的稳定液态金属堆积。这种情况下,熔池中的液态金属几何形貌主要由表面张力起主要作用,容易出现在周期性滞止点收缩并凝固形成驼峰焊道的缺陷。2、论文提出一种“焊接熔池补偿气体射流方法”对驼峰焊道和咬边进行抑制,达到“削峰填谷”效果。该方法引入气体射流冲击未凝固的焊接熔池,达到人为干预焊后熔池运动的目的。论文从理论上研究了可行性,并对其主要特征和作用以及工作机制进行阐述,揭示了焊接熔池补偿气体射流方法在高速焊中具有“削峰填谷”作用,同时提出了基于该方法的304不锈钢脉冲MIG高速焊整体构想。试验表明,气体射流有明显改变焊缝形貌、提高焊接热效率的作用。补偿了气体射流段焊缝余高降低,熔宽增加,熔深也略有增加,焊缝外观形貌和熔合比明显优于传统焊接方式所得到的焊缝。3、建立了熔池补偿气体射流方法的智能化焊接平台及高速焊参数优化与焊缝质量评价系统。构建了补偿气体射流气路系统,并采用智能化控制策略对弧焊电源进行控制和优化;利用大步长标定和局部Newton插值法思想建立专家数据库自学习自调节工艺参数机制;通过优化高速焊工艺参数,进行了有/无补偿气体射流情况下多项高速焊工艺试验;采用现代图像处理技术,建立了新的焊缝外观特征提取和评价方法,该方法利用二值图像方法进行焊缝轮廓信息提取,利用图像强度曲线表征焊缝平直特性,通过边缘检测算子及数学形态学方法对有/无补偿气体射流焊缝进行边缘检测提取预处理,利用图像全局熵、图形相似性技术对经预处理的焊缝图像进行比较与分析研究,获得了采用补偿气体射流焊接方式焊缝外观的定量评价结果。试验表明,在相同或相近参数下,有补偿气体射流焊接速度与无补偿气体射流焊接速度比达220%~288.1%;焊缝横截面分析显示,成形系数和熔合比明显优化,对凸起部位金属最大调节率达68.16%,母材内金属横截面热效率提升达22.6%。4、开展了有无补偿气体射流的焊缝微观组织分析及力学性能测试对比性研究。测试表明,焊接熔池补偿气体射流方法可明显抑制高速焊接中的驼峰焊道和咬边缺陷,显著提升焊接速度,改善焊缝外观形貌和力学性能。补偿气体射流对熔池具有明显搅拌作用,改变粗大柱状晶、树枝晶生长环境,使焊缝中心、焊趾区、熔合区、热影响区、焊缝表面等区域晶粒细化;拉伸强度测试显示,使用补偿气体射流方法的测试指标参数全面占优。补偿气体射流焊缝承受断裂载荷能力与无补偿气体射流焊缝承受断裂载荷能力比达110.4%~120.9%。采用补偿气体射流的焊缝中心区域硬度更高;弯曲试验表明,补偿气体射流焊缝韧性良好,无断裂和裂纹源产生。