大型结构三丝全位置焊熔池成形及焊枪多体运动的动力学研究

Large-scale welding structure is the sign of national manufacturing capability and it is the key in the future’s competitiveness. All position welding is the important and preferred technique during the manufacturing of large-scale structure, and it is the insurmountable and must be solved key technology for the manufacture of large-scale structure. This project aims at the bottleneck problems which constrain the high efficient and precise welding forming in large-scale steel structure, that is, low welding efficiency and poor welding forming, proposes three arc technique for all position welding to constrain the molten iron flow of bulk molten pool under gravity effect, and achieves the high efficient welding and precise weld forming of large-scale structure based on the guidance regularity that the macro phenomenon is determined by the microscopic movement. This project breaks through the traditional single-particle in Newton statics, treats the all position molten pool as a variable mass, multi-particle system, and carries out four research contents as follows. (1) Force analysis of variable mass multi-particle melt metal based on the Lagrange mechanics; (2) Dynamics of liquid-filled molten pool system in all position; (3) Space movement contrail of three-wire welding torch multibody tree system; (4) Foundation and decoulped computation of equivalent circuit model of “three-power three-arc” system. The achievements of this project will clarify the scientific law of multi-wire welding in all position, reveal the welding forming and quality mechanism of three-wire welding in all position, and promotes our country’s welding theory and manufacture of large-scale structure to reach international advanced level.

焊接结构大型化是国家制造能力的标志，是制造业未来竞争力的关键所在。全位置焊接是大型结构制造的重要和首选工艺，是其无法逾越、必须解决的核心技术。本项目针对制约大型钢结构制造的瓶颈问题：焊接效率低、全位置焊接成形、成性不易控制，提出了三电弧约束大体积熔池“铁水重力流淌” 的全位置焊接方法，并基于“宏观现象由微观运动决定”规律指导，实现高效、高质量的焊接。本项目突破了传统的单质点牛顿静力学方法，以变质量多质点空间位置熔池为研究对象，拟在以下4个方面开展基础研究：（1）基于Lagrange力学的变质量多质点熔体金属受力分析；（2）全位置熔池充液系统的动力学；（3）三丝焊枪多体树系统空间运动轨迹；（4）“三电源-三电弧”系统等效电路的建立及解耦。本研究将阐明全位置三丝共熔池高效焊接的科学规律，揭示全位置三丝焊接的成形成性机理，使我国大型结构件焊接理论与制造进入国际前列。

本项目针对瞄准焊接结构大型化后带来的全位置焊接存在的关键理论不足和技术装备落后等“卡脖子”问题，面向国家“装备制造业调整和振兴规划”的战略需求，研究针对国家重大工程中的钢结构自动化焊接的成形问题，率先开展三丝全位置焊接的熔池成形和枪多体运动的基础理论和技术研究。基于分析力学、变质量力学、充液动力学的角度研究熔滴过渡、熔池金属熔化、熔池的质点系运动的焊缝形成过程以及熔体金属空间运行，保证焊缝成形成性；采用无网格粒子数值计算，解决质点系无解析解的问题；建立研究平台，发现新现象和验证有关理论。通过项目的研究，完成了项目立项时提出的各项指标。取得了如下的研究成果：. (1) 成功搭建了三丝焊全位置的实验平台.该项目成功搭建了三丝全位置焊接平台，包括电源，三丝焊枪，这些实验平台搭建，对系统研究三丝焊接过程中的电弧行为，工艺奠定了坚实的基础。. (2) 系统研究了三丝焊工艺.该项目研究过程中，系统的研究了焊接工艺对焊缝成型的影响规律，这些实验结论支撑了理论分析的结果。. （3）掌握了三丝焊全位置焊接过程中，电极上不同相位差的焊接工艺研究.本项目开发了集成环列三熔化极气体保护焊工艺，使用了三把焊枪进行焊接中，三根焊丝分布在同一圆周上呈等边三角形排布，其中一根焊丝在前引导，两个焊丝跟随其后。引导焊丝主要起到定位以及预先加热熔化母材的作用，而后跟随的两根焊丝主要起到进一步增加熔深的作用。提出了三个电弧间的脉冲协同控制，即基于三台焊接电源间的相互通讯功能来实现三个电极间脉冲相位差的调节和控制，这是区别于其他多丝焊接工艺的最大亮点。. 该项目重要的研究意义在于：其理论的研究成果能够从机理方面揭示多丝焊接过程中电弧、熔池等物理过程；在试验方面提出了电弧脉冲协同控制的新方法。