外加横向磁场作用电弧增材成形过程中的传热传质仿真

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和熔池传热传质的差异,发现横向磁场作用使电弧向熔池后方偏转,使熔池发生单向强制对流并驱动熔融金属和热量向熔池后方运动,从而更加直接地冲刷熔池结晶面。由此预测横向磁场作用能降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度,提高枝晶前沿的成分过冷,使得靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒。相同工艺条件的对比试验表明:相比无外加磁场的普通熔积,横向磁场作用下熔池底部等轴晶区域减小,整个结晶面上细密的胞状枝晶区域面积增大,验证了数值模拟的预测。研究结果可为外加磁场在电弧增材成形微观组织控制中的应用提供依据和参考。     

冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^-1)对温度场的影响。结果表明：模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。     

外加磁场对高速GMAW电弧和熔池行为的主动调控效应

在熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)过程中,当焊接速度超过临界值后,焊缝成形变差,出现咬边和驼峰焊道,无法满足生产要求。研究证明,熔池中动量很大的后向液体流是产生驼峰焊道的主要原因。自主研发外加磁场发生装置,向熔池施加横向电磁力,对后向液体流进行主动干预,并调控熔池流态,从而抑制驼峰焊道的形成。在Q235低碳钢板上开展焊接工艺试验,获得了不同磁感应强度下的焊缝表面成形;采用高速摄像技术,拍摄焊接过程中的电弧和熔池图像,分析外加磁场对电弧形态、熔池流场和焊缝成形的影响规律,初步揭示外加磁场抑制驼峰焊道的机理。试验结果表明,外加横向磁场能明显调控熔池流态,减小后向液体流的动量,并能有效抑制驼峰焊道和咬边等缺陷,显著改善焊缝成形,提高临界焊接速度。     

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。     

磁场作用下铝/钢CMT焊接温度场及熔池流动行为

为探究纵向磁场在铝/钢冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)焊接过程中的作用机理,采用ANSYS软件对纵向磁场作用下电弧形态、温度分布和熔池流动行为进行数值模拟,重点研究不同线圈励磁电流对焊接温度场和熔池流动行为的影响。结果表明,外加磁场可以改变电弧等离子体的运动行为,进而影响了焊接电弧在基板表面和熔池内部的热量传导行为。施加磁场后,熔池中的峰值温度发生下降,峰值温度区域由熔池中心转向熔池外围,铝/钢界面处的高温停留时间和温度也随之下降。此外,外加磁场改变了铝液熔池内部的流动行为。熔池内部的流动特征由无磁场时的单一环流,转变为有磁场作用时的双环流流动特征。随着励磁电流的增加,熔池内部的流速和流动范围有增大的趋势。     

高氮钢-不锈钢电弧增材制造表面形貌研究

为了对异质材料电弧增材成型的结构机理进行研究,采用机器人电弧增材成型技术,对高氮钢多方式(普通单道、单道多层、多道单层)沉积表面进行分析,筛选最佳工艺参数、焊道间间距,进行电弧交织结构的增材成型。试验结果表明:高氮钢单道焊缝随着沉积速度增大,表面气孔减少;高氮钢多层多道沉积时,送丝速度增大,表面气孔增多;通过最佳焊道间距的预测,得到的过渡层表面平整,表面成形精度达到亚毫米级。     

脉冲激光焊接Hastelloy C-276合金的熔池流动传热特性分析

基于流体动力学方程和传热方程建立了三维瞬态模型,用于研究脉冲激光焊接0.5 mm厚Hastelloy薄板时熔池的流动行为及传热特性.应用Fluent软件,采用有限容积法(FVM)求解控制方程,用SIMPLE算法处理速度与压力的耦合.引入Pe来衡量焊接熔池中对流传热与传导传热的相对强弱,并以此分析焊接熔池的传热特性.结果表明:沿焊接方向,焊接熔池的流动速度随着离熔池中心距离的增加先增加后减小;在给定试验条件下,熔池流动速度在离熔池中心0.2 mm左右时出现最大值,且沿焊接方向前方稍大于后方,而后迅速减小为零;焊接熔池中对流的存在使得焊接熔池熔深较小而熔宽较大;最终的焊接形貌由对流传热与传导传热相互作用而成.对焊缝形貌的数值模拟结果与实验结果进行了比较,计算结果与实验结果吻合较好.此模型可为脉冲激光焊接Hastelloy C-276薄板时熔池流体流动行为的分析提供理论依据.     

薄壁不锈钢管列置双TIG电弧高速焊接工艺

单钨极惰性气体保护焊(Tungsten inert gas,TIG)是目前工业用薄壁不锈钢管主要生产工艺,但其存在生产效率低的问题。针对高速TIG焊出现的驼峰焊道、咬边等焊缝表面成形缺陷产生的原因,提出列置双TIG电弧高效节能焊接新工艺。试验结果表明,采用双TIG电弧高效焊接新工艺,48 mm×1.2 mm和42 mm×1.5 mm两种规格的409L铁素体不锈钢管在获得良好焊缝成形的条件下焊接速度分别可达5.1 m/min和3.2 m/min;与单TIG焊接生产工艺相比,生产效率分别提高了240%和140%,能耗也分别降低44%和29%。两种规格铁素体不锈钢管膨胀率分别达到14.1%和33.7%,高于单TIG电弧焊的11.2%和21.4%,满足生产要求。分析表明,辅助TIG电弧加热主TIG电弧熔池后部堆积的液态金属,从热和力两方面延长熔池存在时间、促使液态金属回流填平主TIG电弧产生的熔池凹陷,从而有效抑制驼峰焊道和咬边的产生,在高速焊接条件下获得良好的焊缝成形,实现薄壁不锈钢管优质高效节能的焊接生产。     

活性激光电弧复合焊接法研究

为了进一步提高激光电弧复合焊接的熔深,提出活性激光电弧复合焊接法。在氧气的保护下,用小功率光纤激光在待焊焊件表面进行预熔处理,使表面熔化生成一层氧化层,然后用激光电弧复合焊接覆盖氧化层,达到增加熔深的目的。结果表明,激光预熔后进行激光电弧复合焊接,电弧明显收缩,熔深增加1.5倍左右,表面成形良好。激光预熔后,焊缝含氧量增加,熔池表面张力温度系数由负变正,使得复合焊接熔深增加。研究工艺参数对焊缝熔深和熔宽的影响,随着激光预熔功率的增加,熔深增加熔宽减小;随着电流的增加,熔深熔宽都增加,但激光预熔后的焊道增加更快。随着复合焊接速度的增加,熔深和熔宽都减小。随着复合焊接中激光功率的增加,熔深增加,对熔宽的影响较小。利用活性激光电弧复合焊接法,可以得到较为细小的焊缝组织,提高焊接接头的抗拉强度,能达到母材抗拉强度的95%,且面弯和背弯180°后未出现裂纹,表明接头具有良好的韧性。     

电弧增材成形轨迹曲率对熔积层形貌的影响

在高效低成本电弧增材熔积成形过程中,熔积成形轨迹对熔积层形貌有重要影响。为了掌握成形轨迹对熔积层形貌的影响机理,借助于机器人MIG焊技术,以ER316L不锈钢为成形材料,研究了成形轨迹不同曲率半径对圆弧焊道焊宽及余高的影响。结果表明,电弧增材成形圆弧轨迹对电弧形态及熔滴过渡的影响主要来源于磁偏吹效应;在成形速度不变的情况下,随着轨迹曲率的增加,焊宽逐渐变宽,余高整体升高。     

外加高频磁场下电弧快速成形过程的电磁-流体耦合数值模拟

外加电磁作用是改善电弧快速成形零件组织和性能的有效方式之一。为了揭示高频磁场对熔池传热、对流和形态的影响机理,采用有限元电磁计算和有限体积流体分析耦合的方法,建立电磁场、熔池温度场和流体流动场分析的三维模型,分析工件和熔池中高频电磁力/热的分布特征,研究高频电磁力与表面张力、电弧力以及熔滴冲击共同作用下的熔池表面动态变形,对比分析有/无外加高频磁场情况下熔池温度分布和流体流动模式上的差异,并由此预测外加高频磁场对凝固组织和熔池形态的改变。结果表明,高频电磁力驱动熔池流体在垂直焊接方向的平面内形成单漩涡旋转对流,有利于熔断枝晶细化晶粒,熔池表面形状向远离线圈一侧倾斜,熔宽增大。金相和焊道横截面测试证实了上述模拟结果。     

冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究

基于冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术,以2319铝合金为堆积材料,恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道,分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合,结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型,基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型,理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性,采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证,并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后,研究表明当单层焊道成形高度降低时,搭接表面不平度随之减小,有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数,成形多层多道样件,成形形貌良好,三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。     

外加纵向磁场GTAW焊接熔池流动机理

以外加纵向磁场GTAW (钨极氩弧焊 )焊接LD10CS铝合金过程为研究对象 ,建立外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体流动和传热数学模型 ,对固定电弧的外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体流动过程进行数值分析 ,研究外加纵向磁场GTAW焊接熔池流体流动和传热行为。     

高氮钢激光-电弧复合焊接熔池表面流动行为

焊接熔池流动行为是影响焊缝成形和接头质量的关键因素之一,其特征难以直接获取。试验采用ZrO₂颗粒作为示踪粒子,利用高速相机观察示踪粒子运动轨迹,开展高氮钢激光-电弧复合热源焊接熔池表面流动行为的研究。研究结果表明：单独激光焊接时,其熔池的流动主要受匙孔尺寸变化的影响;单独电弧焊接时,其熔池的流动则主要受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响;而激光-电弧复合焊接时,其熔池的流动既受电弧压力和熔滴进入熔池时所产生的冲击力的影响,同时,匙孔的存在也会影响其熔池的流动。在激光-电弧复合焊接过程中,示踪粒子的直线移动距离随着焊接电流和电弧电压的增加而增加;而激光功率的改变对其直线移动距离的影响并不显著。研究结果揭示了不同焊接工艺及其参数对高氮钢焊接熔池表面流动行为的影响规律,为高氮钢焊接工艺的选择提供了理论依据。     

外加稳态磁场作用下的焊接电弧数值仿真

为了揭示外加静态磁场对焊接电弧形态及传热传质的影响规律,建立了焊接电弧的数值模型,对比分析了普通熔积、外加纵向磁场作用以及横向磁场作用下的电弧传热传质过程。结果显示:相比普通熔积,外加纵向磁场作用下,靠近基板的位置电流密度和温度减小,电弧的温度和压强峰值减小,中心处出现负压;外加横向磁场作用下,电弧整体偏向一侧,电弧中心的电流密度、温度和电弧压强都小于未施加外加磁场情况。外加磁场对电弧形态及传热传质的改变,将导致电弧和金属之间的热和力相互作用改变,从而使得熔池的传热传质过程相应的发生改变。     

纵向稳态磁场对电弧增材成形零件表面质量和性能影响的研究

外加磁场作用是影响电弧增材成形过程与成形零件性能的有效方式之一。为了研究外加纵向稳态磁场对低碳钢电弧增材成形零件表面质量和力学性能的影响,搭建基于GMAW的纵向稳态磁场辅助电弧增材成形装置,采用形貌分析、金相观测、性能测试的方法对比分析有/无外加磁场作用下成形试样表面质量、微观组织及力学性能差异。结果表明:相比普通熔积,外加磁场作用下,单焊道宽高比增大,形成宽而平的焊道横截面形貌,从而有效地改善搭接精度并提高熔积层表面质量,电磁搅拌作用还能够细化晶粒,减少熔积缺陷以及多道搭接区域的晶粒分布的不均匀性。此外,外加磁场作用还改变了铁素体和珠光体的占比和分布形态。力学性能测试显示,磁场作用使得成形样件在熔积方向和搭接方向的力学性能有一定的提升,力学性能的各向异性减小。     

CO2混合气体保护焊仰焊单面焊双面成形

一、概述随着科学技术的发展，各种焊接技术也在不断更新。在各种焊接工位中，仰焊单面焊双面成形比较难掌握，CO2混合气体保护焊相对而言比较容易一些。仰焊单面焊双面成形焊接工艺是在焊缝间隙处依靠控制熔池金属的操作技术来实现单面焊，正、反双面成形。在焊接过程中，随着电弧热源的稳定，高温液态熔池处于悬空状态，要随时观察熔孔的大小。液态金属池沿前端线熔化，沿后端线结晶，形成焊道。     

深熔激光焊接熔池温度场的数值模拟

利用旋转Gauss曲面体新型热源模型,忽略深熔激光焊时小孔对传热的影响,建立了移动激光热源作用下的三维数学模型.利用PHOENICS3.4软件,模拟了SUS304不锈钢深熔激光焊接热过程的温度场和熔池熔合线形状,得到了不同焊接速度下的温度场分布云图和"钉头"状的熔池形状.数值模拟结果与试验结果基本吻合.     

相场法模拟增材制造及焊接过程中显微组织的研究进展

增材制造以及焊接过程都是多物理场耦合的复杂过程,难以采用试验方法直接观测熔池显微组织的演变过程。随着计算材料学和数值模型的快速发展,从数值模拟出发研究凝固过程中的显微组织演变成为可能。对比分析了几类常用的显微组织模拟方法,其中相场法在晶粒形貌模拟准确性上具有独特的优势。综述了相场法在增材制造及焊接领域模拟显微组织的应用现状,并对未来的研究方向进行了展望。     

弧齿锥齿轮精锻成形模具磨损特性分析

采用刚塑性有限元法对弧齿锥齿轮精锻成形过程中模具表面磨损进行模拟分析,研究了摩擦因数、坯料温度、模具硬度、锻压速度等对模具磨损的影响.分析结果表明,随着摩擦因数的增大,磨损量增大;随着锻压速度、坯料初始温度及硬度的增大,磨损量减小,并且硬度是影响模具表面磨损量最重要的因素.模拟结果可为弧齿锥齿轮精锻成形工艺方案制定及模...