题目：双面电弧焊接电磁场及热过程研究

双面电弧焊接（DSAW）工艺是一种新型高效焊接方法。本文在双面电弧焊接工艺试验基础上，系统研究了双面电弧焊接电磁场及热过程特征，分析了双面电弧作用下的熔透、穿透机制。研究成果对于双面电弧焊接工艺过程控制及应用提供了重要依据。通过对常规焊接电源进行串联改造，建立了单电源双面电弧焊接工艺系统，对5052铝合金进行了水平位置双面电弧焊接工艺实验。实验结果表明，双面电弧焊接工艺具有焊接效率高、熔深能力大、热输入量小等特点。由于双侧热源对称作用，降低了接头变形及裂纹倾向。对不同热输入条件下熔池塌陷行为进行了分析，定义了“优化焊接阶段”下熔池表面作用力平衡方程，建立了双面电弧焊接工艺优化模型，推导了准熔透状态及准塌陷状态下焊接热输入的函数表达，获得了“优化焊接阶段”焊接电流/焊接速度的调控范围。建立了双面电弧焊接电磁场分析本构方程，利用有限元法对双面电弧焊接进行电磁物理分析，计算了DSAW工艺电场强度、电流密度、电磁力等物理场量，研究了DSAW工艺提高焊缝熔深的物理机理。研究发现，双面电弧焊接工件上下表面间电势梯度大，带电粒子在电场力作用下克服“趋肤效应”影响，在工件中心区形成柱状输运通道，经电场力加速的载流子对工件垂直热冲击作用增大。同时，电流密度在工件厚度方向产生聚集现象，由此导致更为明显的电磁收缩效应，使电弧有效作用半径减小，能量密度提高，熔深能力增强。在双面电弧焊接电磁物理分析基础上，对双面热源作用下工件内部的传热行为进行了分析。研究发现，在双面热源动态累积效应及正热阻效应作用下，在焊缝中心区域形成热聚集区。热聚集区促使双面热源间产生互吸效应，加速工件中心区的熔化，并直接导致“临近崩溃现象”出现。临界崩溃厚度与“糊状区”（Mushy区）宽度有关。以“临近崩溃现象”为界，双面电弧作用下的工件熔化过程分为两个阶段。在未熔透阶段，采用分离热源法建立的抛物线衰减高斯柱体热源模型，能够很好反映该阶段双面热源的作用特点，具有较好的适用性。在熔透阶段，考虑焊缝厚度方向峰值热流的衰减特征，采用统一热源法建立了双曲线型旋转体热源模型。研究了电磁场与热过程共同作用下的双面电弧焊接熔透、穿透机制。研究表明，在熔透型双面电弧焊接工艺中，双侧热源集中作用在工件中心区形成热聚集区，热聚集区引导双侧热源在该区域形成强化传热效果，并最终导致双侧熔池瞬时熔透。同时，电磁力、浮力驱动的液态金属流动对熔池底部形成“热挖掘作用”，对熔池内部对流传热产生强化效果，使中间未熔层逐渐减薄，有利于双侧熔池快速熔透。在双面电弧强化传热基础上辅以高速等离子射流冲击作用，可以使熔池表面射流坑逐渐向工件内部扩展，并最终实现穿孔，焊缝出现穿透现象。等离子射流的热冲击作用是导致熔池穿透的重要原因。穿透型双面电弧焊接中，焊接电流主要通过匙孔路径进行传输，引导等离子弧流入匙孔，等离子弧在电磁压缩、匙孔压缩作用下能量密度得到进一步提高。穿过匙孔的压缩等离子弧对等离子射流产生的能量补偿作用，提升其穿透能力；同时形成的体积内热源产生强化传热作用，推动固液界面向工件内部扩展，有利于形成更大深宽比的焊缝。