高速脉冲GMAW焊接熔池动态行为的数值分析

论文摘要

为了优化高速脉冲熔化极气体保护焊(GMAW)焊接工艺,本文建立了三维高速脉冲GMAW焊接熔池流体流动和传热过程的瞬态数值模型,对高速脉冲GMAW焊接熔池动态行为进行了研究。本文首先根据高速脉冲GMAW焊接热过程中伴随周期性熔滴过渡、熔池自由表面发生变形以及液面波动的特点,建立了变形熔池自由表面受迫振动及熔池自由表面波动模型,并在此基础上建立了适合于描述变形及波动熔池表面上方电弧空间内热流密度分布的新型热源模型,即热流密度在电弧空间内分布模型。然后从能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律的角度出发,建立了高速脉冲GMAW焊接热过程的控制微分方程组,并给出了相应的初始条件和边界条件,对控制方程组进行了离散化。最后用FORTRAN语言编制了相应的计算程序。利用新建的变形熔池表面受迫振动及熔池自由表面波动模型、热流密度在电弧空间内分布模型和热过程数值模型,对焊接熔池的动态行为进行了数值分析。应用变形熔池表面受迫振动及熔池自由表面波动模型,模拟了熔滴过渡引起的熔池自由表面的波动,获得了不同时刻下熔池自由表面的准确形貌。在此基础上,建立了电弧热流密度分布在三维电弧空间中的分布模型。应用该热输入模型研究了高速脉冲GMAW焊接工件的温度场和流场随时间的变化。将应用新型热源模型条件下数值模拟结果与实验测得结果相比较,结果表明新型热源模型适合于高速脉冲GMAW焊接传热、传质过程的数值模拟。本文采用显热容法处理了高速脉冲GMAW焊接过程中的相变潜热问题。计算了不同焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度)条件下高速脉冲GMAW焊接熔池的动态行为,得到不同焊接电流和焊接速度条件下熔池三维温度场、流场和形状随时间的瞬时演变规律。分析了不同焊接电流和焊接速度条件下熔池三维温度场、流场和形状的变化趋势,与实验结果吻合良好。本文的工作能够为高速脉冲GMAW焊接工艺的工业化生产和焊接工艺参数的优化提供基础数据和理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 GMAW焊接的数值研究进展
• 1.2.2 焊接热源模型的研究进展
• 1.2.3 数值模拟软件的发展概况
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 三维瞬态高速脉冲GMAW焊接温度场和流场的数学模型
• 2.1 焊接熔池形态的数学描述
• 2.1.1 直角坐标系下的控制方程组
• 2.1.2 熔池的自由表面变形
• 2.1.3 熔池的自由表面受迫振动及波动
• 2.1.4 贴体坐标系下控制方程组的形式
• 2.1.5 控制方程组的定解条件
• 2.2 数值模拟的方法
• 2.2.1 采用的算法
• 2.2.2 离散化方程的建立
• 2.2.3 边界条件的离散化
• 2.3 本章小结
• 3 数值模拟结果与实验验证
• 3.1 计算过程和程序编制
• 3.1.1 三维瞬态数值计算的主程序
• 3.1.2 熔池表面变形及波动子程序
• 3.1.3 熔池温度场子程序
• 3.1.4 熔池流场子程序
• 3.1.5 比热容子程序
• 3.1.6 其它子程序
• 3.1.7 程序的运行及数据处理
• 3.2 焊件材料、尺寸和物性参数
• 3.3 模拟结果与实验验证
• 3.3.1 熔池热循环曲线
• 3.3.2 熔池表面受力分析
• 3.3.3 熔池形状、表面变形及波动的演变
• 3.3.4 熔池温度场和流场的演变
• 3.3.5 实验验证
• 3.5 本章小结
• 4 焊接工艺参数对数值模拟结果的影响
• 4.1 焊接电流对高速脉冲GMAW焊接传热传质过程的影响
• 4.1.1 焊接电流对熔池温度场的影响
• 4.1.2 焊接电流对熔池流场的影响
• 4.1.3 焊接电流对焊缝形状的影响
• 4.2 焊接速度对高速脉冲GMAW焊接传热传质过程的影响
• 4.2.1 焊接速度对熔池温度场的影响
• 4.2.2 焊接速度对熔池流场的影响
• 4.2.3 焊接速度对焊缝形状的影响
• 4.3 本章小结
• 5 结论
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已发表论文