基于FLUENT的GMAW焊接熔滴过渡过程的动态模拟

论文摘要

熔化极气体保护电弧焊（GMAW）具有生产率高、焊接质量好、生产成本低、易于实现自动化、智能化等优点，是应用广泛的电弧焊焊接方法。焊接过程中熔滴过渡是影响焊接过程稳定性及焊接质量的重要因素，因此研究熔滴过渡的情况有重要意义。目前世界各国的研究者已经在该方面做了大量的研究，但是主要集中于使用语言编程的方法，对于编程者不仅要求有较高的编程能力，而且对于基础理论知识有较高的要求，实现熔滴过渡的模拟难度较大。而利用现在专业的计算流体力学商业软件FLUENT可以比较方便的实现熔滴过渡的模拟。本文基于GMAW焊接熔滴过渡的动态行为特征，根据流体动力学理论、电磁学理论以及熔滴受力分析建立了熔滴过渡的数学模拟方程，而且根据FLUENT软件的特点对数学模型做适当的修改。初步探讨了利用FLUENT软件对熔化极气体保护焊（GMAW）焊接过程中熔滴滴状过渡、射流过渡和脉冲过渡中一脉一滴和两脉一滴等形式的熔滴形成、长大和脱落的动态过程进行模拟，以滴状过渡为例分析了过渡熔滴中的速度场和熔滴脱离焊丝后向熔池过渡过程中的形状变化；探究滴状过渡和射流过渡稳定性不同的原因。为了验证模拟结果的可靠性和准确性，进行验证试验，利用高速摄像系统拍摄了熔滴过渡的动态过程。结果表明，利用FLUENT软件中两相流VOF模型初步可以实现对GMAW焊接中熔滴过渡的动态模拟，模拟结果同试验结果吻合良好；熔滴滴状过渡和射流过渡稳定性不同的原因为焊接电流的不同导致电磁收缩力的不同，进而对熔滴的流场产生影响；一脉一滴的脉冲过渡形式可以通过调整脉冲电流的波形和参数等方式进行调节，利用模拟的方法可以大致给出焊接规范的范围，指导焊接试验，从而减少试验量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 焊接数值模拟的研究现状
• 1.3 GMAW焊接熔滴过渡的常见形式
• 1.4 GMAW焊接熔滴过渡数值模拟的研究现状
• 1.4.1 静力学平衡理论
• 1.4.2 收缩不平衡理论
• 1.4.3 “质量-弹簧”理论
• 1.4.4 能量最小原理
• 1.4.5 流体力学理论
• 1.5 本文研究内容和意义
• 第二章 FLUENT软件介绍和熔滴过渡验证试验所需设备
• 2.1 FLUENT软件介绍
• 2.2 弧焊电源
• 2.3 信号采集设备
• 2.3.1 高速摄像系统
• 2.3.2 电流电压传感器
• 2.3.3 数据采集卡
• 2.4 本章小结
• 第三章 GMAW焊接熔滴过渡的数值模型
• 3.1 自由表面追踪常用算法
• 3.1.1 MAC法
• 3.1.2 Level Set法
• 3.1.3 VOF法
• 3.2 GMAW焊熔滴过渡有限元模型的建立
• 3.2.1 建模理论
• 3.2.2 GMAW焊熔滴过渡有限元模型的建立
• 3.3 本章小结
• 第四章 熔滴过渡行为的动态模拟
• 4.1 熔滴过渡过程中形状变化的模拟
• 4.1.1 熔滴滴状过渡过程中形状的变化
• 4.1.2 熔滴射流过渡过程中形状的变化
• 4.1.3 熔滴脉冲过渡过程中形状的变化
• 4.2 脱落熔滴的形状变化
• 4.3 熔滴过渡的流场分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢