基于脈沖激光與電弧力調(diào)控的GMAW熔滴過渡主動(dòng)控制.pdf

1、本文旨在實(shí)現(xiàn)熔滴過渡與焊接電流的解耦，在小電流區(qū)間內(nèi)乃至任意燃弧電流下獲得穩(wěn)定可控的射滴過渡或細(xì)顆粒過渡，從根本上提高小電流GMAW(Gas Metal Arc Welding，熔化極氣體保護(hù)焊)過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量，擴(kuò)展 GMAW可焊電流區(qū)間和應(yīng)用范圍。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文提出了采用脈沖激光和電弧力調(diào)控相結(jié)合控制熔滴過渡的新方法：(1)脈沖激光照射熔滴產(chǎn)生蒸發(fā)反沖力促進(jìn)熔滴過渡，理論上激光功率足夠大時(shí)，僅依靠蒸發(fā)反力就足以使熔滴脫離焊

2、絲，實(shí)現(xiàn)熔滴過渡與焊接電流的完全解耦；(2)調(diào)制焊接電流波形動(dòng)態(tài)控制熔滴所受電弧力可以激發(fā)熔滴振蕩，利用熔滴振蕩過程中的慣性力促進(jìn)熔滴過渡。把兩者相結(jié)合，可以根據(jù)焊接過程的具體需求自由匹配激光峰值功率與熔滴振蕩強(qiáng)度，有效降低激光脈沖峰值功率。
　　本文建立了集成脈沖光纖激光器的GMAW實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先對(duì)激光控制GMAW熔滴過渡進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。觀測(cè)了液態(tài)熔滴在激光照射下的局部蒸發(fā)現(xiàn)象，分析了熔滴局部受激蒸發(fā)的基本規(guī)律。小電流區(qū)間內(nèi)脈沖

3、激光控制熔滴過渡實(shí)驗(yàn)表明脈沖激光照射熔滴可以顯著促進(jìn)熔滴過渡。對(duì)于0.8 mm直徑低碳鋼焊絲，使用1200 W/5 ms的激光脈沖即可保證在任意電流下?lián)袈淙鄣潍@得穩(wěn)定的細(xì)顆粒過度或射滴過渡，即實(shí)現(xiàn)了熔滴過渡與焊接電流的解耦。分析了激光控制過程各工作參數(shù)對(duì)熔滴過渡的影響規(guī)律，確定了激光入射位置、入射角度，峰值功率等參數(shù)的最優(yōu)取值。根據(jù)相關(guān)理論模型分析了脈沖激光與液態(tài)熔滴的力熱交互機(jī)制，研究了激光對(duì)熔滴表面張力的影響規(guī)律，揭示了激光促進(jìn)熔滴

4、過渡的物理本質(zhì)。
　　其次對(duì)基于電弧力調(diào)控的熔滴主動(dòng)激振技術(shù)進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析。在對(duì)原始熔滴激振技術(shù)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新的最優(yōu)復(fù)合脈沖電流波形，可以有效降低平均電流，同時(shí)顯著增強(qiáng)熔滴振蕩。一個(gè)完整電流波形周期由熔滴生長(zhǎng)脈沖，激振脈沖和脫離脈沖組成。熔滴在峰值較低的生長(zhǎng)脈沖期間逐漸長(zhǎng)大，在峰值略高的激振脈沖期間被相對(duì)較大的電弧力向熔池方向拉伸，在激振脈沖下降沿電弧力急劇減小，熔滴在表面張力作用下朝焊絲回彈并

5、開始振蕩。選擇合適的脫離脈沖延時(shí)(脫離脈沖與激振脈沖之間的基值時(shí)間)，使脫離脈沖與熔滴在振蕩中向熔池方向的運(yùn)動(dòng)同步(相位匹配)，即可有效利用熔滴動(dòng)量促進(jìn)熔滴過渡，降低所需的脫離峰值電流。實(shí)驗(yàn)研究了各波形參數(shù)對(duì)熔滴振蕩和脫離行為的影響規(guī)律，確立了相應(yīng)參數(shù)的最優(yōu)取值。通過測(cè)試最低有效脫離峰值電流，驗(yàn)證了熔滴振蕩對(duì)熔滴過渡的促進(jìn)作用?；凇百|(zhì)量—彈簧”模型對(duì)熔滴激振及脫離行為進(jìn)行了理論分析，揭示了熔滴激振的物理機(jī)制，解釋了電流波形參數(shù)對(duì)熔滴振

6、蕩及脫離行為的影響規(guī)律。
　　在以上研究的基礎(chǔ)上對(duì)GMAW熔滴過渡脈沖激光—電弧力調(diào)控復(fù)合控制過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，把基于電弧力調(diào)控的熔滴激振技術(shù)應(yīng)用到激光控制熔滴過渡過程，可以顯著降低所需的脈沖激光峰值功率。分析了激光脈沖與熔滴振蕩之間的相位匹配關(guān)系對(duì)熔滴過渡的影響。最后，嘗試把脈沖激光—電弧力調(diào)控復(fù)合控制思想應(yīng)用到CO2氣體保護(hù)焊接過程，即適時(shí)降低焊接電流以減小阻礙熔滴過渡的電弧排斥力，使熔滴由排斥狀態(tài)回落至軸向垂順狀態(tài)，