CO2气体保护焊摆动过程的焊缝成形力学行为研究

论文摘要

全位置摆动焊接过程,焊炬摆动到不同位置,熔池液态金属受力对焊缝成形所起的作用亦不相同,而且是不断变化的,甚至严重影响焊缝形状和质量。因此摆动焊接过程中熔池力学行为的研究较为重要。目前,国内外学者对焊接熔池行为的研究主要集中于非摆动焊接模式,而对焊接生产中广泛应用的CO2摆动焊接的理论研究很少。本文在高斯热源基础上推导出了模拟电弧摆动的带状热源模型,并基于该热源模型对摆动焊接熔池从未熔透到熔透过程中三维形状的动态演变过程进行了数值模拟;分析了摆动焊接过程中,不同焊接位置（平焊、横焊、立焊、仰焊）液态溶池的受力情况,研究了熔池液态金属在各种力作用情况下的流动行为;分析了摆动方式对不同焊接位置焊缝成形的影响;建立了熔池受力情况及表面变形的理论模型,并对熔池的流场及速度场进行了数值模拟。研究结果表明,平焊摆动焊接过程中,熔池宽度和长度在其形成初期增长迅速,随后增长速度放慢,当熔池达到宏观准稳态后,则相对稳定,不再发生变化,工件未熔透以前,熔池的最大熔深随着时间逐步增加;当热源接近时,焊缝附近节点温度瞬时上升至1100℃以上,热源经过后,温度又降至130℃以下;距焊缝中心2 mm和4 mm处节点（焊缝附近节点）,其温度低于200℃时,升温速度平缓,达到200℃以上,则升温速度明显增大;熔池流体流动速度的最大值出现在熔池中心下部的位置。立焊摆动焊接过程中,重力对焊缝成形不利;立向上焊时,下部熔池液态金属在重力作用下流淌,波形下坠,余高较大;立向下焊时,下部熔池液态金属在重力和电弧推力共同作用下流淌,借助焊枪摆动可以获得成形较好的焊缝;流体流动速度的最大值出现在熔池中心处。横焊摆动焊接过程中,采用45°斜摆角时,使熔池液态金属下淌的重力分量将减少30%,斜摆角越大,使熔池液态金属下淌的重力分量越小;流体流动速度的最大值出现在下坡口处。仰焊摆动焊接过程中,熔池呈倒悬状态,没有固体金属的承托,必须控制电弧压力对熔池的作用,适当减轻重力对焊缝成形的恶化作用;流体流动速度的最大值不出现在熔池中心上部的位置,而是出现在中心稍微偏下一点的位置。另外,不管哪种焊接位置,在熔池内部,特别是靠近熔池边缘的地方流体流动均出现明显的环流现象。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 2 气体保护焊概述'>1.1.1 CO₂气体保护焊概述
• 1.1.2 摆动焊接过程焊缝成形的影响因素
• 1.2 国内外研究现状及存在的问题
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 现阶段存在的问题
• 1.3 课题的研究内容
• 第二章 熔池中流体动力学状态和熔池表面变形研究
• 2 气体保护焊母材熔化与焊缝成形'>2.1 CO₂气体保护焊母材熔化与焊缝成形
• 2.1.1 母材的熔化热与温度分布
• 2.1.2 熔池和焊缝的形状及尺寸
• 2.1.3 熔池形状对焊缝成形的影响
• 2.2 熔池中流体动力学状态
• 2.3 液态熔池表面形状的数学描述
• 2.4 熔池表面变形过程研究
• 第三章 平焊摆动过程熔池力学行为研究
• 3.1 液态金属的平衡形状
• 3.1.1 平衡条件
• 3.1.2 液面形状的数值计算
• 3.2 摆动焊接热源模型研究
• 3.3 摆动焊接熔池形成过程分析
• 3.3.1 模型的建立
• 3.3.2 摆动焊接熔池形成过程动态分析
• 3.4 平焊过程熔池受力理论模型研究
• 3.5 摆动方式对焊缝成形的影响
• 3.6 平焊过程液态熔池的模拟结果分析
• 第四章 立焊摆动过程熔池力学行为研究
• 4.1 液态熔池受力分析
• 4.1.1 立向上焊
• 4.1.2 立向下焊
• 4.2 立焊过程熔池受力理论模型研究
• 4.3 立焊过程摆动方式对焊缝成形的影响
• 4.3.1 立向上焊
• 4.3.2 立向下焊
• 4.4 立焊过程液态熔池的模拟结果分析
• 第五章 横焊摆动过程熔池力学行为研究
• 5.1 液态熔池受力分析
• 5.2 横焊过程熔池受力理论模型研究
• 5.3 横焊过程摆动方式对焊缝成形的影响
• 5.4 横焊过程液态熔池的模拟结果分析
• 第六章 仰焊摆动过程熔池力学行为研究
• 6.1 液态熔池受力分析
• 6.2 仰焊过程熔池受力理论模型研究
• 6.3 仰焊过程摆动方式对焊缝成形的影响
• 6.4 仰焊过程液态熔池的模拟结果分析
• 第七章 不同位置摆动焊接过程熔池力学行为研究
• 7.1 不同焊接位置液态熔池受力分析
• 7.2 摆动方式对不同焊接位置焊缝成形的影响
• 7.3 不同位置焊接过程熔池受力理论模型研究
• 7.4 不同焊接位置熔池的模拟结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢