脈沖等離子弧焊

中文名稱

脈沖等離子弧焊

英文名稱

pulsed-plasma arc welding

定　　義

利用脈沖電流進行焊接的等離子弧焊。

應(yīng)用學(xué)科

機械工程（一級學(xué)科），焊接與切割（二級學(xué)科），熔焊（三級學(xué)科）

針對中厚板結(jié)構(gòu)焊接制造面臨的效率、質(zhì)量和成本問題，基于工程熱物理與材料焊接加工的學(xué)科交叉，研究了受控脈沖穿孔等離子弧焊接新工藝所涉及的熔池與小孔動態(tài)耦合傳熱特性。解決的關(guān)鍵問題和創(chuàng)新性研究成果概述如下： （1）自主研制了“受控脈沖穿孔等離子弧焊接系統(tǒng)”，搭建了穿孔等離子弧焊接熔池與小孔傳熱特性的實驗研究平臺。（2）在不同工藝條件下測試了熔池內(nèi)小孔的形狀尺寸與位置信息，揭示了熔池穿孔過程各階段小孔特征參數(shù)的動態(tài)演變規(guī)律。（3）實現(xiàn)了雙視覺傳感器的信息融合，同步獲取了工件背面的小孔圖像及熔池溫度場圖像。選用合適的采集窗口，利用單一CCD攝像頭獲得了熔池與小孔的一體化圖像。（4）基于熔池表面的受力狀態(tài)，建立了小孔形狀的瞬態(tài)模型，定量分析了受控脈沖條件下熔池內(nèi)小孔在一個脈沖周期內(nèi)“形成-長大-縮小-閉合”的周期性演變過程。（5）建立了穿孔等離子弧焊接三維瞬態(tài)流場與熱場的數(shù)值分析模型，追蹤小孔界面的演變過程，實現(xiàn)了帶有瞬態(tài)變化小孔的熔池流體流動與傳熱過程的數(shù)值模擬。（6）綜合上述的理論與實驗研究結(jié)果，優(yōu)化了受控脈沖穿孔等離子弧焊接工藝與系統(tǒng)，實現(xiàn)了中厚度不銹鋼板的優(yōu)質(zhì)、高效、低成本焊接。 總結(jié)研究結(jié)果，已經(jīng)發(fā)表論文67篇。其中，國際期刊論文18篇、國內(nèi)核心期刊論文19篇、國際會議論文19篇、全國性會議論文11篇。在美國出版英文專著1部。申請中國發(fā)明專利1項。發(fā)表的論文中，被SCI收錄22篇、EI收錄12篇。在國際會議做大會報告(Keynote) 2次、特邀報告(Invited) 4次。 2100433B

等離子弧焊是指利用等離子弧高能量密度束流作為焊接熱源的熔焊方法。等離子弧焊接具有能量集中、生產(chǎn)率高、焊接速度快、應(yīng)力變形小、電孤穩(wěn)定且適宜焊接薄板和箱材等特點，特別適合于各種難熔、易氧化及熱敏感性強的金屬材料(如鎢、鉬、銅、鎳、鈦等) 的焊接。氣體由電弧加熱產(chǎn)生離解，在高速通過水冷噴嘴時受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。它的穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護氣體一般用純氬。根據(jù)各種工件的材料性質(zhì)，也有使用氦、氮、氬或其中兩者混合的混合氣體的。

針對高性能金屬材料中厚板重大復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接制造面臨的效率、質(zhì)量和成本問題，基于工程熱物理與材料焊接加工的學(xué)科交叉，研究受控脈沖穿孔等離子弧焊接新工藝所涉及的熔池與小孔動態(tài)耦合傳熱特性。研究受控脈沖穿孔條件下等離子弧熱-力特性及其與熔池的相互作用、等離子弧-液-固之間的界面熱-力作用機制及其所引起的熔池流體流動與傳熱過程、小孔形成-長大-縮小-閉合的瞬態(tài)演變特性及其描述與追蹤方法。定量分析帶有快速周期性變化小孔的熔池動態(tài)傳熱特性與熱滯后效應(yīng)，實測不同工藝條件下等離子弧焊接熔池、小孔和焊縫的形狀尺寸與溫度分布以及熔池的穿孔狀態(tài)?；谌鄢嘏c小孔特殊熱物理形態(tài)的理論與實驗研究結(jié)果，建立焊接工藝參數(shù)－熔池與小孔動態(tài)傳熱機制－焊縫成形質(zhì)量之間的定量關(guān)系，為優(yōu)化受控脈沖穿孔等離子弧焊接工藝參數(shù)、實現(xiàn)新型高性能金屬材料的優(yōu)質(zhì)、高效和低成本焊接加工，促進我國重大裝備制造技術(shù)水平的提升奠定堅實基礎(chǔ)。