【摘 要】
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铝合金作为绿色环保、性能优异的材料,受到高铁、航空航天、船舶和汽车等工业制造领域的青睐。然而,因其导热系数大、凝固收缩率高等特性,铝合金的焊接性较差,对热输入敏感,容易出现焊穿、塌陷、气孔和接头裂纹等缺陷,限制了其在工业制造领域的大规模应用。本文旨在改善铝合金焊接性能和提高焊接生产效率,结合了双丝脉冲熔化极惰性气体保护焊(Metal Inert-gas Welding,MIG)以及变极性(Vari
【基金项目】
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广东省基础与应用基础研究基金项目:“铝合金双丝变极性双脉冲低频调制焊接熔滴过渡机制及熔池动态行为研究”(2022A1515010255);
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铝合金作为绿色环保、性能优异的材料,受到高铁、航空航天、船舶和汽车等工业制造领域的青睐。然而,因其导热系数大、凝固收缩率高等特性,铝合金的焊接性较差,对热输入敏感,容易出现焊穿、塌陷、气孔和接头裂纹等缺陷,限制了其在工业制造领域的大规模应用。本文旨在改善铝合金焊接性能和提高焊接生产效率,结合了双丝脉冲熔化极惰性气体保护焊(Metal Inert-gas Welding,MIG)以及变极性(Variable Polarity,VP)焊工艺,提出了双丝变极性脉冲MIG(Variable Polarity Pulsed MIG,VP-PMIG)焊方法,对焊接过程的电弧特性、熔滴过渡和焊缝成形进行研究。首先针对VP脉冲波形的特点,搭建了铝合金VP-PMIG焊电源系统。设计了双丝单基值和双基值两种VP脉冲波形,并分别为两种波形设置了4种负极性(Electrode Negative,EN)比率,分析了两种波形的热输入特征并进行了试验。通过高速摄影从双电弧行为和形态两个方面分析了VP双电弧特性。试验结果表明主从电弧在相同极性时相互吸引,相反极性时相互排斥,且双电弧因其不同的物理性质也产生不同的形态。建立了电弧偏转模型,研究了两种极性双电弧偏转角的变化规律。通过U-I曲线分析了电弧负载特性。单基值和双基值VP脉冲波形的主机U-I曲线因双电弧的相互影响分别出现三角形和双“哑铃”形状;从机输出曲线分布在四个象限,整体构成椭圆圈,负极性电弧阻抗小于正极性电弧。另外,分析了极性切换过程,并指出双电弧耦合形态的差异在一定程度上导致了不同极性切换时的难易程度。建立了熔滴受力平衡模型,定性分析了各种力对熔滴过渡的影响。单基值和双基值VP脉冲波形的熔滴主要以两脉一滴和一脉一滴的方式过渡,期间受到电弧力的作用,主从熔滴在同极性时容易发生碰撞而反极性时分别掉落;主熔滴保持射滴过渡形式,而从熔滴随着EN比率的提高,由射滴转变为射流过渡。对熔滴直径进行了测量,并分析了熔滴过渡模式与熔滴直径之间的关系。利用不稳定收缩理论计算了熔滴直径并与实际值对比,根据实际情况指出了模型的不足。推导了VP焊丝熔化率方程,试验结果表明焊丝熔化率随EN比率的提高而增加。热输入更低、更均匀的双基值VP脉冲波形获得了良好的焊缝成形,并且得益于稳定的电弧行为和熔滴过渡,焊缝更美观和饱满,无咬边、飞溅等缺陷。
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