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高速GMAW驼峰焊道形成机理的研究

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第一章 引言

1.1选题意义

1.2研究现状

1.2.1高速焊工艺与设备

1.2.2驼峰焊道的形成机制

1.2.3 GMAW焊接热过程的数值模拟

1.2.4高速焊焊接过程的计算与分析

1.3存在的问题

1.4本文的研究内容

第二章 高速GMAW熔池形状的数学模型

2.1热源模型

2.1.1电弧热源模型

2.1.2电弧力模型

2.2表面变形方程

2.3熔滴热焓及熔滴冲击力模型

2.4控制方程

2.5试样的物理性质及实验方法

2.6程序流程

2.6.1非均匀动态网格系统

2.6.2数据的传递

2.6.3方程离散化

2.6.4程序流程

2.7本章小结

第三章 高速GMAW焊接熔池的特点及其关键问题的处理

3.1高速焊熔池的特点分析

3.2熔滴过渡对高速焊熔池的特殊作用

3.3熔池内后向液体流的速度场模型

3.4熔滴热焓在高速GMAW熔池中的分布模型

3.4.1圆柱形熔滴热焓分布模型

3.4.2适用于高速焊特点的熔滴热焓分布模式

3.5适于描述高速焊熔池形貌的模型特点

3.6本章小结

第四章 驼峰焊道形成过程的数值模拟结果

4.1热场的动态变化

4.2焊缝形貌的动态变化

4.3焊接电流对驼峰的影响

4.4焊接速度对驼峰的影响

4.5实验验证

4.6本章小结

第五章 驼峰焊道形成原理的实验验证

5.1高速GMAW焊接实验平台搭建

5.2驼峰焊道产生机理的实验验证

5.3抑制驼峰焊道的方法及原理

5.3.1 DE-GMAW焊接

5.3.2降低表面张力

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和撰写的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

发表论文一

发表论文二

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摘要

高速GMAW作为一种高效电弧焊焊接工艺,因其设备成本低、操作简单、适应性强、焊接生产率高,具有广泛的应用前景。但大幅度提高焊接速度时,会产生咬边、驼峰等焊道成形缺陷,严重制约着该工艺在实际生产中的应用。为抑制驼峰焊道,近年来针对驼峰缺陷形成机理开展了一些研究,取得了一定进展。但是,仍存在很多问题需要进一步深入研究和解决,主要表现在:(1)对驼峰焊道形成机理的研究大部分仍处于定性描述阶段,缺乏系统的、理论的解释和定量描述;(2)有关驼峰焊道的数学模型还不能反映高速焊接过程的实质;(3)缺乏对高速焊熔池三维形貌及温度场动态变化情况的定量分析。因此,建立反映高速GMAW焊接工艺特点的数学模型,定量描述和分析驼峰焊道的形成机理及其主要影响因素,对于抑制驼峰焊道的产生、研发高速GMAW焊接工艺与设备、并推广和应用高速GMAW焊接工艺,都具有重要的理论意义和工程实用价值。
   本文建立了高速GMAW焊接熔池瞬时热物理行为的数值分析模型。根据高速GMAW焊接熔池细长和表面变形严重的实际情况,采用贴体坐标系来处理复杂的物理边界,推导相应的离散化控制方程组,利用附加热源法处理能量边界条件。为减小数值传递造成的误差、提高计算速度,采用二次抛物线插值法传递非均匀动态网格中前后时刻的表面变形值和温度值。采用模块化结构设计,增强程序的可读性和可维护性。
   针对高速GMAW焊接过程的主要特点之一,考虑熔池后向液体流对熔池表面变形的影响,推导出含有后向液体流动能项的熔池表面变形方程。在估算出熔池最大流速的基础上,对熔池内流体速度分布做适当的简化描述,构造恰当的流速分布函数。计算结果表明,动能较大的后向液体流极大地改变了熔池受力情况,导致熔池尾部出现液体堆积和熔池中部出现液态薄层,而这两者又是导致驼峰焊道形成的关键因素。
   基于高速GMAW焊接过程的另一主要特点,考察不同熔滴热焓分布模式对驼峰焊道形成的影响程度。提出了较为符合高速GMAW焊接过程特点的熔滴热焓分布模式,即,在熔池前部凹陷区,熔滴热焓分布在熔池底部液体薄层内;在熔池尾部,熔滴热焓平均分布在整个液体堆积层内。计算结果表明,该分布模式能够反映驼峰焊道形成过程中熔池动态变化的特点及其规律。
   利用所建立的模型,对高速GMAW驼峰焊道形成的完整过程(包括形成表面变形严重的熔池、熔池长大(伴随驼峰隆起)、熔池中部液态薄层提前凝固、尾部液态金属逐渐凝固四个过程)进行数值模拟。通过数值计算发现,熔池中部液态薄层得不到足够的热能(包括熔滴热焓和电弧热)是其先于尾部液态金属凝固的主要原因;而此处液态薄层率先凝固意味着一个驼峰即将形成、同时另一驼峰开始孕育的周期过程。得出了不同焊接工艺参数下的工件上表面、纵截面(y=0)温度场以及焊道三维形状的瞬时演变过程,定量分析了驼峰焊道的形成过程以及焊接工艺参数的影响。
   开展了高速GMAW焊接工艺实验,数值计算结果与实验值基本吻合,所建模型能够反映高速GMAW焊接过程的主要特点及规律。基于数值分析结果,提出了抑制驼峰焊道的工艺措施,经实验证明效果明显。

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