高速GMAW熔池流态调控与驼峰焊道抑制机理的研究

During high speed GMAW process, the backward flowing molten jet with higher momentum in weld pool is the main factor to cause occurrence of humping bead. Through exerting electromagnetic force on the weld pool, the weld pool fluid field is actively manipulated, and the flowing velocity, momentum and its distribution of backward molten jet are changed and adjusted, in order to suppress the occurrence of humping bead. The influencing mechanism of external magnetic field on the velocity and momentum of backward molten jet is investigated. The images of both backward molten jet and liquid metal accumulation zone at the pool tail are observed in real time, the variations of their geometry and dimension are extracted, and the method to characterize the velocity and momentum of backward molten jet is put forward. The welding experiments are conducted to measure the feature parameters of backward molten jet at the pool tail under different conditions (magnetic field strength, exerting direction and position). The added electromagnetic force acting on the backward molten jet in weld pool is numerically simulated, and the force-exertion mechanism and influencing factors are analyzed. The adjusting scheme and realizing means are proposed for controlling the velocity, momentum and distribution of backward molten jet in weld pool during high speed GMAW to suppress the occurring of humping bead. It will lay solid foundation for improving the critical welding speed, and implementing high speed GMAW with low cost and high adaptibility.

高速GMAW焊接时，熔池内动量较大的后向液体流是导致驼峰焊道缺陷的主要因素。通过向熔池施加电磁作用力，对高速GMAW熔池内流场流态进行主动干预，改变和调控熔池中的后向液体流的速度、动量及其分布，进而抑制驼峰焊道的形成。研究外加磁场对熔池后向液体流速度和动量的影响机制与作用规律。实时采集熔池后向液体流和尾部液态金属隆起区的图像，提取其形状与尺寸的变化情况，研究熔池后向液体流速度与动量的表征方法。通过实验获得不同条件下（改变外加磁场的强度、作用方向和施加位置）熔池后向液体流表征参量的测试数据。对熔池后向液体流在外加磁场作用下产生的附加电磁力进行数值计算，分析高速GMAW焊接熔池流体的受力机制及其影响因素。提出高速GMAW焊接熔池后向液体流速度、动量及其分布的调控方案与实现方式，抑制驼峰焊道的形成。为大幅度提高临界焊接速度、实现低成本与高适应性的高速GMAW焊接成形制造奠定坚实基础。

提高焊接速度是制造业提高生产率的重要途径。但是，当焊接速度达到一定程度时，会出现驼峰焊道等焊缝成形缺陷。研究表明，熔池内动量较大的后向液体流是导致驼峰焊道缺陷的主要因素。本项目通过向熔池施加外部磁场，产生指向熔池前部的附加电磁力，改变和调控高速GMAW熔池内后向液体流的速度和动量，进而抑制驼峰焊道的形成。. 针对外加磁场与熔池后向液体流之间的相互作用规律、熔池后向液体流状态参量的检测与表征方法、高速GMAW焊接熔池流场流态主动调控与驼峰焊道抑制措施的提出及实现这三个关键科学问题，开展了系统深入的数值分析与实验研究。研制了高速GMAW焊接实验平台,设计和制作了对熔池流场进行主动调控的磁场发生装置。建立了外加磁场的三维计算模型，基于热-磁耦合分析方法，对高速GMAW焊接过程中熔池区域的外加磁场分布进行了数值分析，计算了不同励磁电流条件下液流束相对于焊丝轴线的偏移距离和角度。建立了熔池附加电磁力的数理模型，定量分析了励磁电流大小和不同磁弧间距对熔池内附加电磁力的影响。采用高速摄像和粒子示踪技术，对熔池内后向液体流的速度和动量进行了定量表征；确定了后向液体流最高流速的临界值。实验表明，通过附加电磁力可以显著降低后向液体流的最高流速，从而抑制驼峰焊道的产生。综合以上理论和实验研究结果，提出了可分别采用“外加磁场+一定的焊枪后倾”和“外加磁场+一定的磁弧间距”技术方案，在2.0-2.4 m/min焊速下抑制了驼峰焊道的形成，获得了良好的焊缝成形。研究成果揭示了外加磁场对熔池后向液体流速度和动量的影响规律及其对驼峰焊道的调控机制，为实现低成本与高适应性的高速GMAW焊接奠定了坚实基础。. 总结本项目研究结果，已经发表学术论文13篇（其中，国际权威刊物4篇；已被SCI收录4篇、EI收录5篇）；在本学科领域有重要影响的大型国际会议Visual-JW2014上做特邀报告（Invited Lecture）。