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脉冲MIG焊接外加磁场控制研究

作　者: 董继红
导　师: 周灿丰
学　校: 北京化工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 外加纵向磁场脉冲MIG焊接熔滴过渡数据采集焊接参数 LabVIEW
分类号: TG444.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

21世纪是海洋的世纪,水下焊接是海洋工程建设、维护重要的支持技术之一,水下焊接面临深水油气田开发带来的巨大挑战。TIG焊接能够适应的最大水深大约是500m,MIG焊接能够用于水深超过1000m的场合。国外研究虽然实现了250bar压力即相当于2500m水深条件之下的MIG焊接的重大突破,但是没有彻底解决高压之下MIG焊接熔滴过渡受阻问题,而只是被动地将弧长控制在非常之短,不可避免的短路过渡导致焊接过程不够稳定和接头质量欠佳。因为外加磁场能够显著增加弧柱电场强度、能量密度和电弧挺度,所以有望从根本上解决制约高压MIG焊接研究的首要问题,即高压之下反向等离子流阻碍等离子流、导致熔滴过渡困难的问题,并借助于外加纵向磁场的电磁搅拌作用改善接头焊接质量。本论文的依托项目是国家自然科学基金课题“海洋结构修复用空气加压高压MIG焊接的外加磁场控制”(40776054)。本论文主要研究常压环境下,磁场对MIG焊接电弧特性、熔滴过渡行为等的影响,其成果将为依托项目拟定的高压环境之下磁场控制MIG焊接研究打下坚实基础。本论文以高速摄像和数据采集系统等为手段,研究了常压环境下脉冲MIG焊接外加磁场控制的影响因素。本文采用纵向磁场,在相同的保护气体下,以焊接电流、励磁电流为控制参数进行MIG焊接,全面、深入地分析了纵向磁场对脉冲MIG焊电弧形态、熔滴过渡行为、焊丝熔化特性的影响特点,提出了磁场控制脉冲MIG焊接工艺。在综合考虑工程实用性和磁控稳定性等因素的基础上,本文设计了纵向磁场装置,将外加磁场技术用于脉冲MIG焊接,期望通过磁场能量平衡高压环境介质压力的影响,从根本上突破熔滴过渡问题,改善接头质量。本论文利用有限元方法对影响焊接区域外加磁场分布的相关因素进行仿真研究,分析了励磁线圈的形状、位置、励磁电流的大小、焊接材料的变化等诸多因素对磁场分布的影响,为在不同形式下焊接时选择科学、合理的外加磁场控制提供了理论上的支持。研究结果表明,合理设置纵向磁场的参数可以有效地控制焊接质量,适应不同场合的焊接要求,从而为进一步实现高压环境焊接奠定了基础。本论文提出,采用外加纵向磁场控制电弧形态,进而控制熔滴过渡过程,以纯氩气保护气体获得稳定的射滴过渡形式。为此,本论文建立了一套磁场控制的脉冲MIG焊接系统,主要包括性能优良的焊接电源、稳定可靠的送丝系统、简单实用的励磁装置和操作简单的焊接平台,以及数据采集系统。该数据采集系统对焊接过程中的焊接电压、焊接电流、电弧图像等重要参数进行同步采集,实际工作过程为:高速摄像机实时拍摄磁控焊电弧及熔滴过渡过程,同时数据采集卡采集焊接电弧电压、电流信号以及高速摄像机Strobe输出信号,从而准确确定每一帧高速图像的拍摄时刻,并与电压、电流信号相对应,实现焊接过程的多信息同步采集。本论文利用磁场控制脉冲MIG焊接系统进行了焊接实验,证实了外加纵向磁场对射滴过渡过程的控制作用。实验验证,采用外加磁场控制脉冲MIG焊接电弧,以纯氩气气体保护,获得了稳定的射滴过渡形式,解决了熔滴过渡稳定性问题,为以后高压环境MIG焊接提供了良好的实验依据。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-19
第一章绪论  19-33
  1.1 课题研究背景  19-21
  1.2 磁场控制焊接技术简介  21-25
    1.2.1 磁控焊接原理及其技术先进性  21-24
    1.2.2 磁控焊接国内外研究现状与趋势  24-25
  1.3 脉冲MIG焊接  25-31
    1.3.1 脉冲MIG焊接原理  26-27
    1.3.2 脉冲MIG焊熔滴过渡  27-29
    1.3.3 脉冲MIG焊参数选择  29-31
  1.4 本论文的主要研究内容及创新之处  31-33
    1.4.1 本论文研究主要内容  31-32
    1.4.2 本论文的创新之处  32-33
第二章磁场控制脉冲MIG焊接实验平台  33-44
  2.0 引言  33
  2.1 磁场控制MIG焊接系统总体设计  33-34
  2.2 励磁装置  34-36
    2.2.1 励磁电源的选择  34-35
    2.2.2 励磁铁心的设计  35-36
    2.2.3 励磁线圈设计  36
  2.3 焊接实验平台  36-40
    2.3.1 平板焊接实验平台  36-38
    2.3.2 脉冲焊接电源、送丝系统  38-40
      2.3.2.1 焊接电源  38-39
      2.3.2.2 送丝系统  39-40
  2.4 高速摄像同步采集系统  40-43
    2.4.1 背光系统的选择  42-43
    2.4.2 高速摄像机  43
  2.5 本章小结  43-44
第三章同步采集系统研制  44-60
  3.0 引言  44
  3.1 虚拟仪器及Labview  44-47
    3.1.1 虚拟仪器简介  44-45
    3.1.2 虚拟仪器的软硬件技术虚拟仪器技术由三大部分组成  45
    3.1.3 虚拟仪器与传统仪器的比较  45-47
  3.2 同步采集系统结构及原理  47-48
  3.3 硬件设计  48-54
    3.3.1 数据采集卡的选择  50-52
    3.3.2 焊接电压、电流采集传感器  52-54
    3.3.3 高速图像的同步采集  54
  3.4 软件设计  54-58
  3.5 同步采集系统实验  58-59
  3.6 本章小结  59-60
第四章纵向磁场控制脉冲MIG焊接机理研究  60-72
  4.0 引言  60
  4.1 焊接过程中的电磁现象及基本规律  60-62
    4.1.1 洛仑兹力与安培力  60-61
    4.1.2 电磁感应现象及麦克斯威尔(Maxwell)方程  61-62
  4.2 外加磁场作用下的电弧运动  62-65
    4.2.1 轴向运动  65
    4.2.2 径向运动  65
  4.3 磁控电弧机理的分析  65-68
    4.3.1 外加磁场作用下电弧运动的稳态方程  65-66
    4.3.2 外加磁场控制电弧机理分析  66-68
  4.4 纵向磁场分布的研究  68-70
  4.5 本章小结  70-72
第五章脉冲MIG焊接外加磁场控制的实验研究  72-94
  5.0 引言  72
  5.1 外加磁场作用下的脉冲MIG焊接实验设计  72-75
    5.1.1 实验目的  72
    5.1.2 实验内容和原理  72-73
    5.1.3 主要的实验所需仪器、设备  73
    5.1.4 实验操作步骤与操作方法  73-74
    5.1.5 实验数据处理  74-75
  5.2 外加磁场对MIG焊接电弧形态与熔滴过渡影响的实验研究  75-89
    5.2.1 焊接电流对MIG焊接电弧形态与熔滴过渡的影响  75-76
    5.2.2 外加磁场对MIG焊接电弧形态与熔滴过渡的影响  76-89
      5.2.2.1 MIG焊接实验  76-88
      5.2.2.2 实验结果分析  88-89
  5.3 外加磁场对焊接电压、电流的影响规律  89-92
  5.4 本章小结  92-94
第六章结论  94-96
参考文献  96-99
研究成果及发表的学术论文  99-100
致谢  100-101
作者和导师简介  101-102
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  102-103

脉冲MIG焊接外加磁场控制研究

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