熔化极气体保护焊是利用电弧作为热源,气体作为保护介质的熔化焊,其中保护气用量的成本约占焊接工艺成本的10%左右。因此,在保证焊接质量基础上,如何减小保护气用量,对降低企业制造成本和节省资源具有重要的意义。本研究采用了理论分析、数值计算和实验验证的方法,对保护气的用量进行了分析和探讨,主要研究内容如下:(1)根据气体保护焊的相关理论,分析了焊接过程中影响保护气用量参数之间的相关关系,提出了最小量保护气的概念,构建了保护气最小量的数学模型。(2)依据保护气最小量数学模型,设计出普通喷嘴、螺旋喷嘴、缩径喷嘴和扩散喷嘴四种结构的喷嘴,通过FLUENT软件对四种喷嘴的保护气流场进行分析计算。结果表明,相对于普通喷嘴,缩径喷嘴和扩散喷嘴可以直接减少保护气用量,而双螺旋喷嘴通过增加熔池驻留时间来减少保护气用量。(3)利用FLUENT软件中的UDF和UDS模块进行二次开发,将电弧导入到流场中进行耦合仿真,结果表明电弧区的等离子保护气的流场形态发生很大的变化,受到电弧影响位于工件表面的工件上保护气体包裹效果更好,而在焊丝和工件表面之间出现保护气缩径现象。加载电弧的保护气流场跟未加载电弧的流场进行比较,除了普通喷嘴外所得其余喷嘴各自最小气体的用量结论基本一致。(4)构建了焊接保护气混合配比系统,采用氩气80%+二氧化碳20%混合保护气,四种喷嘴、不同流量进行了焊接实验。测试了样件母材、热影响区和焊接区的硬度,在热影响区和母材区交界处,三种较小保护气流量的焊缝的硬度要高于传统大量的焊缝;通过观察焊缝的金相组织,发现双螺旋喷嘴的晶粒更加均与和细小。拉伸试验时,样件均在母材位置断裂。总体结果表明,减小保护气用量的焊缝能够满足甚至优于普通大量保护气焊缝的力学性能。本研究得到了江苏省科技创新基金“船用高效气体保护焊微量动态配气系统”(BC2014202)的支持。本论文对气体保护焊保护气用量的研究和探讨,对焊接领域的机理研究和工程应用具有一定的指导意义和参考价值。