基于自由表面变形的TIG焊熔池行为研究

【摘要】TIG焊由于焊接过程稳定、易于控制,可以自动清除工件氧化膜,适合全位置焊接以及焊接质量高等特点在工业生产中应用广泛,是焊接各种有色金属及合金、不锈钢、高温合金、超高强度钢等的理想方法。随着焊接生产的机械化、自动化和智能化程度不断提高,对焊接效率的要求也越来越高。增大焊接电流,提高焊接速度,是提高焊接效率最常采用的方法。但是焊接速度的提高会带来一些焊接缺陷,其中最主要的是焊缝成形差,出现焊道咬边的现象,为了改善高速焊接时的焊缝成形,首先需要了解焊缝成形不良的机理。熔池的流动行为对焊缝成形具有非常重要的影响,而熔池表面的变形不仅会引起作用于熔池的电流和热流密度分布发生改变,还会导致焊缝液态金属内部的传热环境发生变化,如此会影响到熔池形貌、焊缝表面质量及接头的组织和力学性能。目前由于实验条件的限制,通过实验手段来观察焊接熔池是非常困难的。因此,运用数值模拟技术研究基于自由表面的TIG焊接熔池行为,揭示熔池流场及温度场的分布规律,为咬边及驼峰焊道的产生过程提供理论依据,对更好的实现焊接过程控制以及改进焊接方法、提高焊接质量和焊接效率具有很大的现实意义。本文采用有限差分法,应用FLOW-3D软件并对其进行二次开发,在考虑自由表面的情况下,建立了定点、运动TIG焊接熔池的三维瞬态模型,对焊接熔池流场和热场进行了模拟分析,以加深对焊接熔池内流体流动与传热过程的理解,为得到高质量的低碳钢TIG焊缝提供理论依据。本文TIG焊接热源模型采用经典的高斯热源分布模式,考虑了工件和外界的对流换热和辐射,熔池的蒸发散热,以及驱使熔池内液态金属产生运动的浮力、电磁力和表面张力梯度等驱动力。为了兼顾计算精度和计算效率,采用非均匀网格。首先,研究了定点TIG焊接在相同电流不同焊接时间,不同电流相同焊接时间,不同表面张力温度系数三种焊接条件下熔池热场和流场的变化规律及自由表面的演化情况,结果表明：相同电流时,加热时间越长,熔池深宽比越大,自由表面变形越大；不同电流时,电流越大,自由表面变形越大；不同表面张力温度系数时,表面张力温度系数越大,温度梯度越小,熔池深宽比越大。其次,对运动TIG焊接在相同电流不同焊接速度,相同焊接速度不同电流以及高速TIG焊接,三种焊接条件下的熔池内流场、热场及自由表面演化情况进行了模拟研究。结果表明：相同电流时,焊接速度越高,温度梯度越大,熔池深宽比越小；相同焊接速度时,电流越高,温度梯度越大,熔池深宽比越小,自由表面变形越大；大电流高速焊接时,温度梯度大,熔池深宽比小。最后,对大电流高速TIG焊进行了数值分析,研究了驼峰焊道的形成机理和焊接工艺参数对驼峰焊道的影响,对以上结论进行了总结思考,并对今后工作提出了展望。
【作者】黄琳；
【导师】樊丁；黄健康；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】TIG焊；自由表面；熔池行为；数值分析；

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