驱动力对2219铝合金DLBSW焊接熔池行为的影响

为了探索激光焊接熔池驱动力与焊接过程中熔池流动之间的关系,构建2219铝合金T型结构双激光束双侧同步焊接(Dual Laser-beam Bilateral Synchronous Welding,DLBSW)过程热-流耦合模型。分析表面张力、反冲压力、重力及热浮力对熔池流动的驱动作用,并阐述这些驱动力共同作用下的熔池流动机理。结果表明,熔池表面的流体,其主要受到表面张力的驱动作用;对于熔池下端左侧及后方形成的环流,其主要受到表面张力、热浮力及重力的共同驱动作用;匙孔下方熔池底部在重力及热浮力的共同作用下沿熔池边缘流动。     

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.     

电火花沉积熔滴过渡过程材料流动规律仿真研究

电火花沉积材料的过渡形式、过渡形态、结合过程等对沉积的效率、稳定性及沉积层质量有重要影响.为了探究电火花沉积的熔滴转移过程,建立了电火花沉积两极间熔滴过渡的仿真模型,模拟了电极表面熔融液滴变形及脱落的过渡过程,分析了过渡过程中熔滴的形态变化、压力分布及流动趋势.结果表明:熔融电极材料在重力、表面张力及等离子流力的作用下...     

电子束扫描横焊薄铌板的熔池动力学行为

在电子束焊接过程中,金属液体蒸发的反冲压力、表面张力、重力等驱动力共同作用于熔池,对焊缝成形有显著影响. 在扫描横焊的情况下,电子束作用范围的扫描摆动和重力方向的旋转使熔池的动力学行为变得更复杂. 采用试验和数值计算方法对电子束扫描横焊薄铌板的熔池形态和凝固后熔合区形貌进行研究,数值模拟得到的熔池形态和熔合区形状与试验结果吻合. 熔池流场分析结果表明,半熔透熔池的驱动力主要为液态金属蒸发引发的反冲压力;全熔透熔池的上表面Marangoni流动占主导,表面张力与反冲压力共同作为熔池流动的驱动力;重力与焊接扫描共同作用使得熔池两侧的质量分布和流场分布不对称,造成了焊缝两侧熔合线的不对称.     

MIG焊接熔池形成与凝固过程数值模拟

利用FLOW3D软件建立三维数学模型,模拟A36船用低碳钢熔化极惰性气体保护焊(MIG)的瞬态温度场和流场,分析起弧后熔池形成和熄弧后熔池凝固两个过程。采用了双椭球热源模型,考虑了重力、电弧压力、表面张力、电磁力、浮力,以及辐射、蒸发、熔滴的动态冲击作用。结果表明,熔池形成过程中,熔池前部发生下凹变形,熔深慢慢增大,达到准稳态后基本保持不变。电弧下方液态金属温度最高,最高温度随时间变化不大,熔池内同时存在熔滴冲击力、电磁力引起的向内流动和表面张力引起的向外流动。熄弧后,熔池内只存在表面张力引起的向外流动,震荡幅度降低。熔池横截面具有一个较大的外接触角(均大于π/2),此时尽管存在液态金属的震荡,熔池也是稳定的。模拟预测的焊缝尺寸,形状与试验吻合良好。     

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。     

表面张力对激光深熔焊熔池流动的影响

为研究激光深熔焊中表面张力对熔池流动行为及熔池形貌的影响,获得活性剂对Q235低碳钢和304L不锈钢焊缝截面形貌的影响规律. 基于有限元计算软件Fluent,计算分析了激光深熔焊时表面张力在改变熔池流动行为中的重要作用. 结果表明,未添加活性剂焊接时,熔池液态金属的表面张力温度系数为负,熔池表面熔融金属以匙孔为中心由内向外流动,焊缝横截面形貌宽且浅. 添加活性剂焊接后,表面张力温度系数为正值,在熔池表面形成了由外向内的反向流动,形成了窄且深的焊缝形貌. 随表面张力温度系数绝对值的增大,表面张力变大,流体流动速度增大.     

CO2短路过渡焊接熔池三维瞬态数值模拟

考虑CO₂短路过渡焊接过程中的随机性,建立了考虑熔滴熔池短路时刻、熔滴初始大小等因素的熔滴自适应模型. 此外,采用非对称高斯热源模型来考虑电弧热流密度沿焊接方向的非对称性,结合附加源项法考虑电弧压力、电磁力和浮力,采用连续表面张力模型计算表面张力,采用VOF方法追踪熔池表面,采用焓-孔隙度法考虑熔化凝固过程中的糊状区的动量损失,建立了CO₂短路过渡焊接熔池的三维瞬态模型. 利用该数学模型计算6 mm厚低碳钢板的CO₂短路过渡焊接熔池的温度场和流场的瞬态发展,模拟和试验结果的短路间隔时间概率密度分布及焊缝成形吻合良好.     

激光+GMAW复合热源焊熔池流体流动的数值分析

考虑熔滴和小孔对熔池的影响,建立了基于FLUENT软件的激光+熔化极电弧(GMAW)复合热源焊三维瞬态熔池流体流动数值分析模型.利用双椭球体热源描述电弧热输入,将激光热输入视为热流峰值可调节的双曲线旋转体热源,其热源分布参数通过简化的小孔形状尺寸模型确定;将熔滴过渡过程视为从熔池上部特定区域流入熔池高温液态金属的过程,并通过建立液态金属流速对时间的周期函数表征熔滴过渡频率;将小孔视为由激光致蒸汽反作用力引起的熔池表面变形,以简化计算过程,重点考虑小孔的存在对熔池流体流态的主要影响.利用所建模型对不同焊接条件下的激光+GMAW复合热源焊小孔形态、熔池流体流动和温度场进行模拟计算,分析了激光+GMAW复合热源焊流场特征,探讨了激光功率对复合焊熔池动态行为的影响规律.结果表明,在1 m/min焊速条件下,GMAW焊(激光功率为0 W)出现驼峰缺陷;当激光功率为500 W时,驼峰缺陷消失,但熔池中无小孔产生,且流体流动模式与GMAW焊相近;而当激光功率增至2000 W,熔池中出现小孔,使得流体流动模式更为复杂.将焊缝横断面形状尺寸的计算结果与实验结果进行比较,2者吻合较好,从而证明了模型的准确性和适用性.     

基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用的熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)熔池动态行为数值分析模型,该模型考虑了气—液—固三相耦合. 将电弧热输入视为双椭球体热源模型,将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气,其流速呈高斯分布,流速峰值依据焊接电流确定,电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流入熔池过程,通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率. 利用该模型对不同条件下GMAW焊熔池热场及流场进行模拟计算,并分析其流体动力学特征. 结果表明,模型能够合理地反映熔池动力学特征,同时还提高了计算效率.     

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。     

空间多位置摆动激光填丝焊接熔池动态行为及焊缝成形

以316L奥氏体不锈钢管道为研究对象,在摆动激光焊接研究基础上,对管道多位置激光填丝焊接熔滴过渡和焊缝成形展开研究,分析焊接熔池动态特征,优化各位置区间工艺参数,进而实现管道全位置激光焊接. 结果表明,摆动激光束周期性的作用于填充焊丝,产生的反冲压力能够促进熔滴过渡,使得焊丝始终以“液桥”形式向熔池过渡;同时摆动激光增强了熔融金属侧向流趋势,提高熔池界面表面张力,削弱空间多位置下重力对熔池形貌的影响,保证各空间位置熔池均能稳定存在,焊缝成形连续均匀.     

NUMERICAL ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL FLUID FLOW AND HEAT TRANSFER IN TIG WELD POOL WITH FULL PENETRATION

KEY WORDS TIG weld pool,full penetration,fluid flow,heat transfer,numericalanalysis     

送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响

针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题,提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas,TIG)电弧增材制造方法. 基于此方法建立增材成形试验系统,开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验. 利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律. 结果表明,前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池;相比前送丝增材过程,后送丝方式下焊丝熔化效率和熔滴过渡频率明显增加,熔滴尺寸变小,熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小;高频脉冲电弧使熔池体积略微增加,热稳定性明显增强,直壁墙沉积件成形精度明显提高.     

Mathematical analysis of the role of recoil pressure in weld pool dynamics during laser-MIG hybrid welding

A mathematical model was established to simulate the weld pool development and dynamic process in stationary laser-MIG hybrid welding. Surface tension and buoyancy were considered to calculate liquid metal flow patter, moreover, typical phenomena of MIG welding, such as filler droplets impinging weld pool, electromagnetic force in the weld pool, and typical phenomena of laser beam welding, such as recoil pressure, Inverse Bremsstrahlung absorption, Fresnel absorption were all considered in the model. The laser beam and arc couple effect were introduced into this model by the plasma width during hybrid welding. The role of recoil pressure in the weld formation was discussed. Transient weld pool shape and complicated liquid metal velocity distribution from two kinds weld pool to an unified weld pool were calculated. The simulated weld bead geometry with consideration recoil pressure was in good agreement with experimental measurement.     

空心钨极同轴填丝焊接丝弧交互作用机制

空心钨极同轴填丝焊接焊丝与电弧(丝-弧)交互过程是决定焊接质量的关键.首先利用高速摄像观察分析了空心钨极电弧与实心钨极电弧形态,及其对焊缝成形特征的影响规律,然后构建了熔丝过程受力模型,系统分析了同轴填丝焊接过程中熔滴形成及过渡过程动力学特征.结果表明,空心钨极电弧表面辐照区域大于实心钨极,在大电流工艺条件下焊缝成形稳定;熔滴形成阶段,焊丝末端熔滴处于静力平衡状态,在较大表面张力作用下,无法自发从焊丝末端直接过渡进入熔池;熔滴过渡阶段,部分电流从焊丝流过,产生电磁收缩力,引起焊丝与熔池之间的熔滴摆动.     

A study on V-groove GMAW for various welding positions

This study performed three-dimensional transient numerical simulations using the volume of fluid method in a gas metal arc V-groove welding process with and without root gap for flat, overhead, and vertical welding positions. The elliptically symmetric arc models for arc heat flux, electromagnetic force and arc pressure were used to describe the more accurate molten pool behaviors. The numerical models not only formed a stable weld bead but also simulated the dynamic molten pool behaviors such as overflow which was not described before. This study analyzed these molten pool flow patterns for various welding positions and validated the numerical models used by comparing the simulation results with experimental ones.     

焊丝熔化方式对激光焊接过程的影响

研究了两种焊丝熔化方法(电弧预熔丝激光焊、激光填丝焊)激光焊接过程对匙孔稳定性以及焊缝成形的影响,进一步研究了焊丝熔化方法对焊接接头质量的影响,并对比分析了两种焊丝熔化方式对焊接速度的适应性. 结果表明,电弧预熔丝激光焊过程中,熔池表面匙孔开口尺寸变化不大,匙孔较为稳定;激光填丝焊方法由于熔化的液态金属距离匙孔边缘很近,焊接过程中熔池表面匙孔开口尺寸变化较大,而且容易出现熔池表面匙孔的闭合. 与激光填丝焊相比,电弧预熔丝激光焊熔化的焊丝端部可以沿熔池边缘流入,与匙孔边缘的距离较远,匙孔稳定性较好,焊缝气孔数量较少. 当焊接速度为8 m/min时,电弧预熔丝激光焊的焊缝成形良好;而激光填丝焊焊缝背面成形不连续,并且出现了未焊透的缺陷.