定点TIG焊接电弧与熔池交互耦合数值模拟

电弧与熔池的交互作用在两者之间形成了一个不断移动变化的自由界面,对界面的处理是实现电弧与熔池交互耦合的关键。运用建立的三维统一数学模型对TIG焊接电弧与熔池进行了动态耦合数值模拟,揭示电弧-熔池相互作用的机制以及电弧-熔池动态行为的基本规律。结果发现电弧与熔池不断交互耦合计算得出的熔池形状与试验测得的熔池形状比较吻合。     

GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual For-tran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接熔池形状和熔池自由表面变形的动态演变,并进行了对比试验.基于数值模拟和工艺试验结果,可以看出达到宏观准稳态时计算所得的焊缝形状尺寸与试验结果基本吻合,因此验证了所建模型和采用的计算方法是正确、可靠的.     

电弧压力对MIG焊接熔池几何形状的影响

根据电弧物理基本原理,建立了MIG焊接电流密度在变形熔池表面的分布模型,在此基础上得到电弧压力计算模型,计算结果表明,MIG焊接电弧压力在电弧中心线附近呈双峰分布,且双峰向电弧后方偏移,在离开电弧中心线一定距离处变为单峰分布,熔池表面变形程度对电弧压力分布有显著影响,采用双峰分布的电弧压力,热流密度分布模型,定量分析了焊接工艺参数对熔池几何形状的影响规律,为焊缝几何尺寸的预测和控制提供了可靠数据,基于该模型计算的焊缝几何形状与实测的吻合良好。     

基于Fluent的GTAW数值模拟

基于GTAW特点,建立了包含阴极、电弧和阳极的完整耦合的瞬态统一模型。利用Fluent软件模拟,并对其UDF进行二次开发,研究了0Cr18Ni9Ti在GTAW下的熔池和电弧的形态。计算了不同时刻电弧温度场和熔池形状,其结果表明随着焊接时间的延长,电弧形状变化较小,熔池形状变化较大,熔池呈现出勺形特征。熔池内流体在电磁力、表面张力的主要作用下形成3个涡流。在这3个涡流综合作用下,促使了熔池勺形形状的形成。计算结果在理解分析GTAW物理过程以及熔池形状机理方面上,具有一定的理论参考价值。     

GMAW三维瞬态焊接热过程的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual Fortran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状的动态演变,以及熔池自由表面的变形,并进行了试验验证.结果表明,达到宏观准稳态时,计算所得熔池宽度和深度与试验结果基本吻合.     

考虑自由表面的TIG焊熔池行为数值模拟

根据TIG焊接过程中的实际情况,利用VOF方法追踪自由表面,建立了包括自由表面的三维瞬态TIG焊熔池模型。采用FLUENT软件,考虑浮力、电弧压力、电磁力以及表面张力,对不同焊接电流下的TIG焊熔池行为进行数值模拟,得到了熔池的温度场、流场和自由表面变化情况。结果表明:所建立的TIG焊熔池模型是正确的,随着焊接电流的增大,熔池最高温度升高,熔深、熔宽以及自由表面变形程度也随之增大。     

基于FLUENT的等离子弧与熔池一体化数值模拟

以计算流体力学和麦克斯韦电磁场理论建立了等离子弧和熔池一体化的数学模型,综合考虑了电弧电子移动传热和工件表面的辐射传热、金属的熔化凝固和液态金属的蒸发以及熔池内金属的对流传热等对工件温度分布的影响,计算得出阳极表面与电弧之间能量、电流密度等参数的传递关系,并分析了工件温度场和熔池在整个焊接过程中的瞬态变化情况。结果表明:阳极表面的热流密度和电流密度分布近似符合高斯分布;上表面熔池形状由焊接初期的圆形逐渐变为椭圆形;准稳态时熔池横断面为典型的酒杯状。通过与文献计算值的对比,验证了所建立模型的合理性。     

熔化极气体保护焊热过程的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下熔化极气体保护焊热过程的数值分析模型.利用VisualFortran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状的动态演变,以及自由表面的变形,并进行了对比试验.结果表明,达到宏观准稳态时所得的熔池宽度与深度与试验结果基本吻合.     

电弧力对TIG焊接熔池液面形态影响的数值模拟

在建立TIG焊接熔池液面三维形状模型基础上,对电弧力作用于熔池液面进行了表征,采用Surface Evolver有限元分析软件进行数值模拟,研究了电弧力对TIG焊接熔池液面三维形态的影响.得到了有电弧作用时,熔池的三维形态和熔池各液面参数随电弧力大小变化的规律.结果表明,在熔池形状一定时(正面、背面熔化区域半径和板厚一定),电弧力的作用深度增加会引起熔池上、下液面和固液面的表面积均增加,其中电弧力的大小对TIG焊接熔池的上液面影响程度大于下液面.这些分析结果为探讨TIG焊接熔池的各类问题提供了基础.     

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.     

不同驱动力对熔池表面变形行为影响的数值模拟

基于流体动力学方程，采用焓-孔隙度法来处理液-固相变，采用VOF方法追踪熔池自由表面变形，建立了固定电弧下的三维瞬态TIG焊熔池数学模型，求解获得了在浮力、Marangoni力、电磁力和电弧压力单独作用时的熔池表面变形行为及其温度场与速度场的分布.模拟结果表明，在大电流（I≥250 A）时，在浮力、表面张力温度系数为正时的Marangoni力、电磁力单独作用于熔池上表面将会产生凸起变形，在电弧压力、表面张力温度系数为负时的Marangoni力单独作用下，熔池上表面将会产生凹陷变形.在大电流下，TIG焊和活性TIG焊熔池均产生凹陷变形.TIG焊熔池的中心区域形成向内的涡流，边缘部位形成向外的涡流，而活性TIG熔池在熔池中心和熔池边缘则分别形成两种成因不同的内向涡流.熔池表面变形量并不是各个驱动力作用的简单叠加.     

熔池表面变形对电弧行为特征的影响

在电弧与熔池统一模型的基础上研究熔池上表面变形对电弧行为特征的影响。用本模型计算出的平坦熔池表面电流密度和热流密度的分布与试验结果显示了很好的一致性。而变形熔池表面的电流密度和热流密度分布则不再符合近似的高斯分布。这就为下一步研究电弧和熔池的工作提供了基础。     

基于实际熔敷形状的旋转电弧传感器数学模型

旋转电弧传感器数学模型是提高焊接质量、旋转电弧信号处理和焊缝偏差提取的理论基础, 焊接熔敷金属堆积形状是决定旋转电弧长度主要因素之一,影响其数学模型精确度. 采用双线结构光传感系统对焊接收弧阶段焊缝进行三维重建获得焊接熔池熔敷形状,运用单纯形法最优化电弧长度,在此基础上建立了旋转电弧传感器数学模型及仿真模型. 结果表明,该数学模型相对于假设的三角锥熔敷形状数学模型,消除了焊接过程工件变形引起的电流信号误差,减小了焊缝转角和焊缝偏差检测误差,提高了旋转电弧传感器数学模型精度.     

电弧热流分布模式对GMAW焊接温度场的影响

提出了ＧＭＡＷ熔池表面产生较大变形时的电弧热流分布模式,以此为基础并考虑熔滴过渡过程及焊缝余高,建立了焊接温度场的数值分析模型,通过数值模拟,定量分析了焊接工艺参数－ＧＭＡＷ熔池表面变形－电弧热流分布－熔池形态及其温度是之间的相互影响。焊接工艺试验结果,与高斯热源模型相比,采用本文给出的ＧＭＡＷ电弧热液分布模型的计算结果更符合实际。     

活性元素氧对AA-TIG焊熔池传输行为影响的数值模拟

电弧辅助活性TIG焊(arc assisted activating TIG welding,AA-TIG焊),采用辅助电弧以Ar+O₂作为保护气体预熔待焊母材表面以形成氧化层,再进行常规TIG焊,可使熔深明显增加.文中结合AA-TIG焊熔池氧元素分布的实验研究,提出焊接熔池表面氧元素的两种不均匀分布模式,考虑浮力、电磁力和表面张力,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,模拟研究氧元素在熔池表面呈不均匀分布时,AA-TIG焊瞬态熔池中动量及能量的传输行为.假设熔池内部液态金属是湍流、不可压缩Newton流体,使用FLUENT RNG k-ε湍流模型进行处理.结果表明,当氧在熔池上表面呈非均匀分布,并且氧的不均匀分布模型为低氧模型时,熔池内部仍然以内对流流动为主.     

Prediction and verification of melting front in GTA weld pool of full-penetration

A thermal conduction model is applied to speed up the numerical analysis of the temperature distribution and the weld pool geometry of full penetration in gas tungsten arc （GTA） welding. With considering both top and bottom flee surface deformation of full-penetrated weld pool, three-dimensional weld pool with melting front and solidification front is predicted. Welding experiments are conducted to measure the melting front curves at the top surface and the longitudinal section of the weld. It shows that the predicted and measured results are in good agreement.     

氧元素分布模式与AA-TIG焊熔池形貌的数值模拟

文中结合电弧辅助活性TIG焊熔池氧元素分布的试验研究结果,提出焊接熔池表面氧元素分别与熔池表面温度和位置相关两种分布模式,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,求解结果与已有的试验结果和理论研究吻合良好. 结合求解结果,利用格拉晓夫数G_r,磁雷诺数R_m和表面张力雷诺数M_a分析了浮力、电磁力和表面张力的相对作用大小; 利用Peclet数分析了熔池热对流和热传导的相对强弱. 结果表明,电弧辅助活性TIG 焊熔池表面张力作用远大于电磁力和浮力,并决定熔池流动形式;熔池热对流主导熔池的传热过程,揭示了不锈钢活性TIG焊活性元素决定深而窄的熔池形貌的内在本质.     

Specular reflection based sensing surface deformation of gas tungsten arc weld pool

A sensing system is developed to measure the weld pool boundary and pool surface deformation in gas tungsten arc welding. LaserStrobe technique is used to eliminate the strong arc light interference, and specular reflection from the pool surface is sensed to describe the relation between the deformed stripes and pool surface depression. Clear images of both the pool boundary and the deformed stripes edges are obtained during gas tungsten arc welding process, which lays foundation for real-time monitoring the pool surface depression and weld penetration.     

熔透情况下三维TIG焊接熔池流场与热场的数值分析

建立了熔透情况下三维运动TIG焊接熔池中流体动力学状态及传热过程的数值分析模型。该模型考虑了试件全熔透情况下液态金属熔池表面的变形。采用贴体曲线坐标系处理熔池曲面,利用SIMPLER方法对不锈钢焊接试件熔池中的流场与热场进行了数值分析,并进行了焊接工艺试验对模型加以验证。结果表明,根据该模型得出的计算结果与实验值吻合情况良好。