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高速GMAW焊缝咬边缺陷：形成机制、影响因素及抑制策略研究

一、引言

1.1研究背景与目的

在现代制造业蓬勃发展的大背景下，焊接作为一种关键的材料连接技术，被广泛应用于各个领域，如汽车制造、航空航天、船舶建造、机械制造等。熔化极气体保护电弧焊（GMAW）凭借其生产效率高、焊接质量好、生产成本低以及易于实现自动化等显著优势，在众多焊接方法中脱颖而出，成为制造业中的常用焊接工艺。随着市场竞争的日益激烈，制造业对生产效率的要求不断提高，提高焊接速度成为了提升生产效率的关键途径之一。然而，当GMAW焊接速度超过某一临界值时，焊缝容易出现咬边缺陷。咬边是指沿着焊趾，在母材部分形成的凹陷或沟槽。这种缺陷不仅严重影响焊缝的外观质量，更会导致母材的有效截面积减小，在咬边处产生应力集中现象。特别是在承受动载荷或交变载荷的结构中，咬边部位极易引发裂纹的萌生与扩展，从而严重威胁焊接接头的强度和可靠性，降低焊接结构的使用寿命，甚至可能引发安全事故。因此，深入研究高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理，并提出有效的抑制措施，对于提高焊接质量、降低工业生产风险、推动制造业的高质量发展具有至关重要的现实意义。本文旨在通过理论分析、实验研究和数值模拟等手段，全面揭示高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理，并探索出一系列切实可行的抑制措施，为实际生产中的焊接工艺优化提供坚实的理论依据和技术支持。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者针对高速GMAW焊缝咬边缺陷开展了大量的研究工作。在咬边缺陷形成机理方面，国外学者早在20世纪就开始关注这一问题，并进行了一系列的理论和实验研究。他们通过建立数学模型和物理模型，对焊接过程中的各种物理现象进行分析，试图揭示咬边缺陷的形成原因。例如，一些学者从熔池流体动力学的角度出发，研究了熔池内液态金属的流动行为对咬边形成的影响，发现焊接速度、电弧力、表面张力等因素会改变熔池的形状和液态金属的流动方向，当液态金属无法及时填充焊缝边缘时，就容易产生咬边缺陷。国内学者在该领域的研究起步相对较晚，但近年来也取得了丰硕的成果。通过实验观察和数值模拟，深入分析了焊接参数、材料特性等因素与咬边缺陷之间的关系。有研究表明，焊接电流过大、电弧电压过高、焊接速度过快等参数设置不当，会导致电弧对熔池的加热不均匀，使得焊缝边缘的母材过度熔化，而熔敷金属又无法及时补充，从而产生咬边。

在抑制措施研究方面，国外已经开发出了一些先进的焊接设备和工艺，如采用脉冲焊接技术、双丝焊接技术、热丝焊接技术等，通过优化焊接参数和焊接过程控制，有效地减少了咬边缺陷的产生。同时，还研究了新型焊接材料和保护气体对咬边缺陷的影响，发现某些合金元素的添加和保护气体成分的调整，可以改善熔池的流动性和润湿性，降低咬边的倾向。国内学者则主要从焊接工艺优化、焊接设备改进以及焊接材料选择等方面进行研究。提出了合理调整焊接参数、改进焊接操作方法、采用合适的焊接顺序等措施来抑制咬边缺陷。此外，还探索了利用外加磁场、超声振动等辅助手段来改善焊缝成形，减少咬边缺陷的产生。

尽管国内外在高速GMAW焊缝咬边缺陷的研究方面取得了一定的进展，但目前仍然存在一些不足之处。一方面，现有的研究大多侧重于单一因素对咬边缺陷的影响，而对于多因素相互作用下的咬边形成机理研究还不够深入。焊接过程是一个复杂的物理化学过程，涉及到多个因素的相互影响，仅考虑单一因素难以全面揭示咬边缺陷的形成机制。另一方面，现有的抑制措施在实际应用中还存在一定的局限性，部分措施可能会增加生产成本、降低生产效率，或者对焊接设备和操作人员的要求较高，难以在实际生产中广泛推广应用。因此，进一步深入研究高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理，并开发出更加高效、实用的抑制措施，仍然是当前焊接领域的研究重点和难点。

1.3研究方法和创新点

本研究采用实验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，深入探究高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理及其抑制措施。通过设计并开展高速GMAW焊接实验，在不同的焊接参数组合下进行焊接操作，利用高速摄像机、红外热像仪等设备对焊接过程中的电弧形态、熔池行为等进行实时监测和记录，采用金相显微镜、扫描电子显微镜（SEM）等分析测试手段对焊接接头的微观组织和缺陷特征进行观察和分析，获取大量的实验数据，为后续的研究提供可靠的实验依据。基于传热学、流体力学等基本理论，建立高速GMAW焊接过程的数值模型，对焊接过程中的温度场、流场、应力场等进行数值模拟计算，深入分析焊接参数、材料特性等因素对焊接过程中物理现象的影响规律，预测咬边缺陷的产生趋势，为实验研究提供理论指导。综合实验研究和数值模拟的结果，从理论层面深入剖析高速GMAW焊缝咬边缺陷的形成机理，建立咬边缺陷形成的理论模型，明确各因素之间的相互关系和