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焊接电弧引燃过程的机理分析

作　者: 石里男
导　师: 宋永伦
学　校: 北京工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 焊接电弧引弧过程物理特征光谱诊断定量研究
分类号: TG403
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

焊接在机械制造中是一种十分重要的加工工艺。它是两种或两种以上的同类或非同类材料通过原子(或分子)间的扩散与结合从而连接在一起的工艺过程。弧焊则是当前应用最为广泛的一类金属焊接方法,无论是在手工焊还是自动化、机器人等焊接生产中都得到广泛应用。所谓电弧是指两个电极间由气体介质产生的持久而强烈的放电现象,具有低电压、高电流的特点。电弧现象是焊接物理的重要组成部分,一直备受焊接工作者的关注。引弧过程作为电弧放电过程的起始阶段,直接影响后续焊接过程的开展。由于引弧过程十分复杂,目前在国内外对其机理的研究还比较缺乏。本文针对弧焊中几种常用焊接模式(包括TIG焊、MIG焊与激光辅助TIG焊)的引弧过程进行了详细地试验研究与理论分析。发现这些模式下的引弧过程虽然体现了不尽相同的特点,但都有着类似的气体导电特征,使得焊接引弧过程的这一物理特征具有认识的普遍性。在深入分析各个引弧过程的基础上,提出了TIG焊接触引弧过程中三个连续特征阶段的概念,并对TIG焊引弧、MIG焊引弧及激光辅助引弧过程进行了初步的定量研究。论文主要内容及创新点如下:(1)通过焊接电源、透镜光学装置、光谱仪、高速摄像机、数据处理与分析系统等构建了光谱诊断试验系统平台,实现了对引弧过程准确可靠的实时观测。通过对电子数密度测试原理的说明,比较了两种基于Hα谱线Stark展宽的不同的计算模型。从接触引弧和非接触引弧两种条件下的引弧过程入手,对主要研究对象——焊接电弧引燃过程的时间进行了不同角度的界定,为后续试验的开展奠定了基础。(2)从不同角度对铝板和低碳钢板TIG焊接触引弧过程进行了观测与研究。对该过程电子密度随时间的变化作出了定量计算分析,得到了引弧过程的基本特征,即过程存在着主体电离元素的变换现象。借助先进的高速摄像与电信号采集设备,对不同焊接条件(包括焊接电流、保护气体、焊接弧长、阳极材料、钨极直径与空载电压)下的TIG焊接触引弧过程进行了时间描述,得到了不同焊接输入量对输出量——引弧时间的变化趋势,并对影响机理进行了阐述。(3)对铝合金MIG焊引弧及激光辅助引弧过程进行了详细地观测与研究。通过对MIG焊引弧过程电信号与光谱图像的采集与分析,得到了该过程存在着类似TIG焊的气体导电特征。研究还表明,在MIG焊引弧过程中当两电极同时被激发时,后续的导电速率将显著提高,并且具有在低温条件下,易电离元素优先激发提供电子的物理特征。将连续激光作为热源进行非接触引弧,尝试探索外部能量参与并建立电弧可能。研究发现,激光辅助引弧亦存在着贡献电子主体电离元素的变换现象。同时,该过程也支持了钨极电弧焊引弧的主要特点:即对金属工件的局部加热是产生电子碰撞进而进行电弧空间能量传递的初始条件。(4)通过对焊接引弧弛豫现象的时序统计分析,概括了TIG焊接触引弧过程的三个连续特征阶段,即工件预热阶段、场致发射阶段及电弧放电阶段。分别对每个阶段的物理现象与特点进行了说明,并给出了可以定量描述该阶段的一般理论公式。采用Thomas-Fermi模型与Saha方程联立的方法,计算了引弧过程不同时刻的平均电离度,总结归纳了电离度的变化规律。借助试验数据的提炼与概括,对不同焊接条件对焊接引弧时间的影响规律进行了研究,给出了描述引弧过程时间的经验公式。(5)以焦耳加热与金属熔化理论为基础,推导了MIG焊引弧过程时间的预测公式。结果表明,当焊丝熔化部分质量越小,焊丝直径越小,焊丝密度越大,焊接电流越大,局部接触电压越大时,引弧过程时间越短。以激光脉冲作用导致气体击穿形成等离子体理论为基础,在同时考虑多光子电离与碰撞电离的情况下,推导了用于描述激光辅助引弧中电弧空间自由电子密度发展过程的理论公式。公式中综合考虑了空载电压的持续作用,使得其更加符合实际的引弧过程。同时,也指出由于激光辅助引弧过程采用连续激光,使得空间击穿更容易发生。论文的研究实现了对接触引弧过程(TIG焊与MIG焊)与非接触引弧过程(激光辅助TIG焊)的定性观测与定量分析,分别从宏观和微观角度对引弧过程的物理特征进行了阐述。研究有助于进一步深入理解焊接电弧产生的机理,对丰富焊接物理理论基础与提升自动化弧焊过程的精量监控都具有一定的学术和现实意义。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
论文符号表  9-14
第1章绪论  14-38
  1.1 引言  14-15
  1.2 引弧过程的研究发展概况  15-34
    1.2.1 TIG 焊引弧  15-20
    1.2.2 MIG 焊引弧  20-24
    1.2.3 激光与物质的相互作用  24-27
    1.2.4 焊接电弧的数值模拟  27-30
    1.2.5 焊接电弧的光谱诊断  30-34
  1.3 论文的研究意义  34-35
  1.4 论文的研究内容  35-38
第2章引弧过程的光谱诊断原理与试验系统平台  38-50
  2.1 引言  38
  2.2 谱线的选取原则与电子密度的测试原理  38-43
    2.2.1 谱线的选取原则  38-40
    2.2.2 电子密度的测试原理  40-43
  2.3 试验系统平台  43-48
    2.3.1 试验系统平台的构成  43-46
    2.3.2 引弧过程时间的界定  46-48
  2.4 本章小结  48-50
第3章 TIG 焊接触引弧过程的测试与研究  50-80
  3.1 引言  50
  3.2 TIG 焊引弧过程的测试与研究  50-63
    3.2.1 试验条件  50-51
    3.2.2 引弧过程高速摄像的采集与分析  51-56
    3.2.3 引弧过程电信号的采集与分析  56-57
    3.2.4 引弧过程光谱图像的采集与分析  57-61
    3.2.5 引弧过程电子密度的测试与分析  61-63
  3.3 不同焊接参数条件下 TIG 焊引弧过程的比较研究  63-78
    3.3.1 引弧过程的试验装置与试验条件分组  63-64
    3.3.2 引弧过程电信号与高速摄像的同步采集结果  64-75
    3.3.3 不同焊接条件下引弧过程的对比分析  75-78
  3.4 本章小结  78-80
第4章 MIG 焊引弧与激光辅助引弧过程的测试与研究  80-92
  4.1 引言  80
  4.2 MIG 焊引弧过程的测试与研究  80-85
    4.2.1 试验装置与条件  81
    4.2.2 引弧过程电信号的采集与分析  81-82
    4.2.3 引弧过程光谱图像的采集与分析  82-85
    4.2.4 MIG 焊引弧过程的基本物理特征  85
  4.3 激光辅助引弧过程的测试与研究  85-89
    4.3.1 试验装置与条件  85-86
    4.3.2 引弧过程光谱图像的采集与分析  86-87
    4.3.3 激光辅助引弧过程的基本物理特征  87-89
  4.4 保护气体条件下的接触引弧过程与非接触引弧过程的比较分析  89-90
  4.5 本章小结  90-92
第5章引弧过程时间经历的定量研究  92-114
  5.1 引言  92
  5.2 TIG 焊引弧过程的几个连续阶段  92-99
    5.2.1 引弧过程的统计规律性  92-94
    5.2.2 工件预热阶段  94-95
    5.2.3 场致发射阶段  95-96
    5.2.4 电弧放电阶段  96-99
  5.3 TIG 焊接触引弧过程中平均电离度的研究  99-102
    5.3.1 平均电离度公式的推导  99-101
    5.3.2 引弧过程中电弧等离子体平均电离度的变化规律分析  101-102
  5.4 不同焊接参数条件下 TIG 焊接触引弧时间预测模型的研究  102-107
    5.4.1 不同条件下TIG 焊接触引弧过程试验数据的再提取与分析  102-105
    5.4.2 引弧过程时间的经验公式  105-107
  5.5 MIG 焊引弧时间的预测模型与激光辅助引弧的机理研究  107-112
    5.5.1 MIG 引弧过程时间的预测模型  107-109
    5.5.2 激光辅助引弧过程的机理研究  109-112
  5.6 本章小结  112-114
结论与工作展望  114-116
  结论  114-115
  工作展望  115-116
参考文献  116-124
攻读工学博士学位期间发表的学术论文  124-126
附录 A 焊机原理图及性能参数  126-128
致谢  128

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