焊枪偏转对电弧增材制造搭接熔积电弧形态影响的仿真研究

【作者】 周祥曼； 田启华； 杜义贤； 吴海华； 张从阳； 刘练；

【机构】 三峡大学机械与动力学院； 三峡大学水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室；

【摘要】 电弧形态和等离子流态直接影响电弧增材制造过程中的传热传质以及气体保护效果,对于金属材料的电弧增材制造来说,良好的气体保护是降低成形零件熔积缺陷的必要条件之一。针对电弧增材制造搭接熔积的不对称熔积空间导致的非对称电弧形态和等离子流态以及气体保护缺陷,提出采用焊枪偏转的方式对搭接熔积非对称电弧形态和等离子流态进行调控,并建立了电弧的三维数值模型,模拟了普通搭接熔积和10°、20°和30°三种焊枪偏转角度情况的搭接熔积电弧。数值模拟结果显示,普通搭接熔积电弧温度场和压强分布偏向焊道一侧,的等离子和保护气流在焊道的一侧出现"内陷"现象,极易导致导致熔积过程中卷入外部空气,对于氧等敏感的金属电弧增材成形来说容易导致保护不良,不利于保障成形质量。焊枪偏转10°、20°和30°对搭接熔积电弧温度场和压强的不对称以及保护气流"内陷"现象均有的改善作用。其中焊枪偏转10°和20°时右侧气流的"内陷"现象也有明显的改善,焊枪偏转30°时,左侧流动也得到了一定的改善,但是右侧气流出现了较大的"涡旋"。电弧非对称截面上的向路径对比分析显示,焊枪偏转可以降低路径上的各参量:电流密度、温度、电磁力、压强、速度、电势的峰值,并对电弧各个参量的平衡有显著的作用,焊枪偏转20°对各个参量的平衡效果最佳。综合上述分析结果可知,的研究中,焊枪偏转20°对电弧温度场、压强以及保护气的平衡效果最佳。搭建了电弧增材制造实验平台,并采用高速相机拍摄电弧形貌,上述四种情况的电弧形貌照片与模拟结果吻合良好,证明了模拟结果的有效性。结论可为电弧增材制造基础研究和工艺决策提供依据。更多还原