电子束焊接熔池周期性波动的数值模拟

为了更深入地探究电子束焊接过程中的机理问题,利用数值软件Fluent,对10mm厚的2219铝合金电子束焊接熔池进行三维瞬态模拟。分析电子束焊接进入准稳态后熔池中涡流的变化规律和产生原因,并结合电子束与匙孔壁面相互作用进行讨论。结果表明:电子束焊接进入准稳态后熔池呈周期性波动;根据液态金属流动情况可将焊接熔池分为3个区域,区域Ⅰ中的液态金属维持了熔池体积的稳定,区域Ⅱ中的涡流起到扩大熔池表面的作用,区域Ⅲ中的涡流促使匙孔坍塌;通过对电子束与匙孔壁面的耦合分析可知,电子束在匙孔壁面上并不是均匀分布的,这造成了匙孔底部具有一定的滞后性。     

316奥氏体不锈钢高频感应焊接技术及缺陷形成机理

采用高频感应焊接技术对壁厚0.3 mm的316奥氏体不锈钢进行焊接试验,研究焊接工艺对焊缝宏观形貌、接头组织及力学性能的影响,并讨论了焊接缺陷形成机理。结果表明,开口角较小时,毛刺以椭球状驼峰缺陷成形,随着开口角的增加驼峰缺陷呈减少趋势;焊接点有水渍聚集时,易出现焊接飞溅。当热输入为16.5 kJ/m、焊接速度为80 m/min、开口角为6°、钢带边缘保持干燥和洁净时,可获得无缺陷连续毛刺形貌。焊缝组织为奥氏体+δ-铁素体,焊缝区平均硬度值达到289HV,接头平均抗拉强度约为920 MPa,高于母材抗拉强度(760 MPa)。焊缝强度高的原因是挤压辊的压力将脆性杂质从焊缝中挤出,提高了晶粒间的结合能力,且焊缝成形好,焊缝区晶粒组织细小,奥氏体晶界析出大量阻碍位错运动的δ-铁素体。本工作提出了一种熔融金属流动模型分析其驼峰缺陷形成机理,即：焊接时开口角小,熔融金属内部的平衡状态短时间内随着熔融金属的聚集长大而被破坏,驼峰形成;开口角增大到合适角度时,焊接状态保持稳定,最终连续毛刺形成。     

等离子弧焊接熔池和小孔形成过程数值分析

目的 研究等离子弧焊接穿孔过程中熔池内部的金属流动情况和小孔动态变化过程。方法 通过“传热-熔池流动-小孔”之间的相互耦合关系,建立了等离子弧焊接穿孔过程的数值分析模型,通过VOF方法追踪了小孔界面,采用FLOW-3D软件模拟了等离子弧焊接熔池和小孔的形成过程,定量计算了等离子弧焊接温度场、熔池流场及小孔形状;分析了等离子弧焊接熔池和小孔行为;并通过等离子弧焊接实验数据验证了模拟结果。结果 当焊接时间为0~1.0 s时,小孔深度曲线与熔深曲线几乎相同,小孔底部紧贴熔池底部;在2.8 s以后,小孔深度曲线与熔深曲线有一定距离,小孔深度曲线在一定范围内波动,等离子弧焊接电弧挖掘作用到达极限,电弧压力与其他力达到平衡状态。模拟的焊缝熔深为8.04 mm、熔宽为13.20 mm,实验测得的焊缝熔深为8.00 mm、熔宽为13.42 mm。结论 构建的随小孔动态变化的曲面热源模型和电弧压力模型可以描述等离子弧焊接过程中的电弧热-力分布;模拟出了等离子弧焊接熔池和小孔动态演变过程;模拟得到的等离子弧焊接焊缝形貌与实验测得的焊缝形貌基本吻合。     

电子束焊接动态过程仿真分析

基于有限差分理论的入射电子束服从高斯分布，在有限平板中匙孔理想化为旋转抛物面的基本假设，利用C Builder快速开发软件，在WindowsNT平台上综合OpenGL图形接口及多线程技术开发了电子束焊接动态过程仿真系统EBWSIM。结果表明：该系统通过友好的图形用户界面可实现工艺参数。材料参数，约束控制，视点追踪等焊接过程与移动热源焊接匙孔及其三维温度场的可视化实时交互，并能够实时仿真电子束深熔焊各点的热循环，焊缝横截面，热影响区分布，焊缝钉形缺陷和匙孔曲面的形成过程，模拟结果与实验数据吻合较好。     

核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝焊接温度场和应力-应变场模拟

目的 研究机加工和拉拔2种成形方式下得到的填充环对Canopy焊缝的影响,获取焊接焊缝成形、焊接残余应力和变形的相关数据,以指导Canopy焊缝焊接工艺。方法 采用数值模拟的方法,建立Canopy焊缝焊接数值分析模型,模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接残余变形。结果 拉拔成形环焊接熔池高度为9 mm,机加工成形环焊接熔池高度为8.3 mm;机加工成形环焊接最大残余应力为255.6 MPa,而拉拔成形环焊接最大残余应力为277.8 MPa,均出现在管座紧贴焊缝的位置;机加工成形环焊接残余变形为0.19 mm,拉拔成形环焊接残余变形为0.186 mm,最大残余变形均出现在焊接起始位置附近,在焊缝与管座交接的位置。结论 熔池形貌直接影响了热影响区域的大小,拉拔Y型环焊接熔池高度更大,焊接的热影响区域更大;拉拔Y型环焊接残余应力略大于机加工Y型环焊接残余应力;机加工成形环和拉拔成形环焊接残余变形相近。     

单束与双束串行激光填丝焊特性对比

以铝合金为研究对象,研究了双束串行激光填丝焊不同能量比对焊缝成形及焊缝气孔率的影响,并与单束激光填丝焊工艺进行对比。进一步借助高速摄像机对双束串行激光填丝焊能量比R为20/80以及单束激光填丝焊的熔池、匙孔以及等离子体的变化进行对比分析,获得了双束串行激光填丝焊能量比R为20/80时焊缝气孔率降低的原因。结果表明,对于双束串行激光填丝焊,当能量比R为20/80时焊缝气孔率较低。与单束激光填丝焊相比,双束激光填丝焊能量比R为20/80的焊缝气孔率降低了38%,而且焊接过程中焊丝熔化后沿熔池边缘流入,可大幅降低对匙孔的冲击作用,匙孔始终处于张开状态,焊接过程中等离子体的形态波动相对较小,表明焊接过程的稳定性较好。     

焊接熔池中元素分布规律及其影响因素的研究进展

焊接过程中焊接熔池内部的流体流动传热过程对熔池的形状、气体及夹杂物的吸收、聚集和逸出等影响很大,尤其影响元素在熔池中的分布。研究发现,熔池内流体主要受表面张力、浮力和电磁力的作用,其中表面张力对熔池形状起主导作用;焊接热输入、功率、焊接速度均对焊接熔池的形成有不同程度的影响。在焊接过程中,不同材料在交界处会发生元素互扩散,不同的元素扩散系数相差较大,而同种元素在不同扩散深度处的扩散系数却相差不大。由于焊缝中元素分布是否均匀直接关系到焊接接头的质量,因此元素在熔池熔化过程中具体的扩散形式以及在熔池凝固后元素的偏析情况是未来的研究热点。     

焊接参数对TC4薄板焊接过程的影响

目的 揭示焊接参数对TC4薄板焊接过程中温度场、位移场及应力场的影响规律。方法 基于有限元（FEM）模拟方法,运用Fortran语言对焊接热源及焊接参数进行定义,以模拟不同焊接参数下TC4薄板的TIG对接焊过程。结果 在稳弧阶段,温度场为一组以焊接方向为长轴的椭圆,且存在温度梯度,随着焊接速度的增大,温度场峰值、温度场温度梯度、熔池宽度和熔池体积逐渐减小,而焊接效率和焊接电流对温度场的影响与焊接速度刚好相反;随着焊接速度的增大,薄板最大变形量逐渐减小,焊接角变形及挠度变形逐渐得到改善,而焊接效率和焊接电流对位移场的影响与焊接速度刚好相反。在稳弧阶段,焊缝位置的残余应力为拉应力,两侧为压应力,随着焊接速度和焊接电流的增大,纵向残余拉应力逐渐增大,焊缝处高应力集中区的宽度逐渐减小,而焊接效率对应力场的影响与焊接速度刚好相反。在高焊接速度、中等焊接效率、低焊接电流参数条件下,可获得熔池体积小及熔池宽度窄的焊缝,有利于减小焊后残余应力与变形。结论 上述研究结果可为TC4薄板的焊接过程提供一定的理论指导。     

二氧化碳气体保护焊的焊接工艺探讨

CO2气体保护焊具有焊接效率高、抗锈能力强、焊接变形小、冷裂倾向小、熔池可见性好、以及适用于全位置焊接等优点。究其不足主要是：很难使用交流电源，焊接飞溅多。特别是采用短路过渡形式时，在焊接过程会产生大量的金属飞溅。造成大量金属的损失，使熔敷率降低，焊后清理工作量增加。同时，飞溅的产生降低了电弧的稳定性，严重影响焊接质量。现主要介绍了CO2气保焊焊接操作技术及需注意的一些问题，对CO2气保焊焊接工艺设计及其应用具有一定的指导作用。     

变动电流作用下焊接熔池谐振现象的研究

本文在固定点 TIG 焊接电弧下,利用在直流焊接电流上叠加正弦波电流的方法,通过计算机对电弧电压变化量采样处理,对薄钢板焊接熔池在变动电流作用下产生的谐振现象做了初步实验研究,结果表明,熔池金属谐振频率与熔池尺寸之间有严格对应关系,利用此方法可以一定程度地解决薄钢板焊接熔透控制问题。     

变极性等离子弧穿孔熔池受力及焊缝成形稳定性

通过YB005-01型压力变送器测定相同参数条件下正极性等离子电弧力大于反极性等离子电弧力,并建立了铝合金VPPA焊接穿孔熔池受力模型,分析了在不对称正、反极性等离子电弧力的作用下,穿孔溶池稳定性及其焊缝成形机理.同时进一步分析铝合金VPPA力学特性,掌握了焊接电流和离子气流量等重要焊接参数对其影响.经穿孔焊工艺实验,...     

T型接头旋转激光+GMAW复合焊熔池动态行为数值分析模型

目的 研究T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池的温度场和流态特征,揭示气孔缺陷的产生及抑制机理。方法 依据光学、电磁学、传热学及流体动力学机理,建立T型接头旋转光纤激光+GMAW复合焊熔池数值分析模型。使用Fluent软件对旋转频率分别为50 Hz和100 Hz的T型接头旋转激光+GMAW复合焊进行温度场以及流态特征的模拟,对比不同频率下T型接头横、纵截面,从工艺和焊缝成形角度出发,针对不同频率对熔池、小孔成形以及气孔抑制的影响进行讨论。结果 当旋转频率为50 Hz时,纵截面内小孔最大深度为5.4 mm,横截面熔池内小孔开口直径相对较大,旋转一周后,小孔远离气泡,气泡无法逸出,形成气孔;当旋转频率为100 Hz时,纵截面内小孔深度显著降低,熔池体积明显减小,横截面内小孔最大开口直径和深度均降低,熔池尺寸也有所减小,在时间为0.097 s时,小孔上方区域出现的顺时针涡流不仅能抑制气孔,还能改善熔池的下垂以及立板焊趾处的咬边。结论 随着旋转频率的增大,小孔的最大开口直径和深度均降低,还对熔池具有搅拌作用,使熔池体积变小。     

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

目的 研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为.方法 综合考虑传热学以及流体动力学,建立Fluent数值分析模型.使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型,用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热,同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力.基于Fluent软件,对复合焊过...     

Numerical simulation of variable polarity vertical-up plasma arc welding process

Three-dimensional transient governing equations were developed based on conservation laws of energy, momentum and mass. These equations described physical phenomena of convection in weld pool and heat transfer in workpiece during variable polarity vertical-up plasma arc welding process. Boundary conditions for the developed governing equations were given. Welding energy input for variable polarity vertical-up plasma arc welding process was quantitatively expressed. Free surface deformation of the keyhole molten pool was coupled into calculation. Effect of wire filling on the geometry of molten pool and weld reinforcement was considered in the simulation. Correlations of temperature and thermophysical properties for aluminum alloy 2219 were quantitatively established. A control volume based finite difference method was used to solve the discrete governing equations. Moreover, dynamic evolutions of geometrical profile, dimension and fluid flow for the molten pool and keyhole were simulated through the developed computational routines, which achieved transient solution of fluid flow field coupling with thermophysical properties, temperature field and weld pool free surface deformation. Besides, the effect of the workpiece thickness on the moments of keyhole formation and stable keyhole establishment was analyzed, and thermal cycles for the main welding stage were calculated. In addition, experiments via variable polarity vertical-up plasma arc welding technique were conducted, and the established models were experimentally verified through weld cross-section profiles.     

基于复合热源的铝合金激光-MIG复合焊接的有限元模拟

针对15mm厚Al-Mg-Zn铝合金试板多层多道激光-MIG复合焊接过程,综合考虑了脉冲MIG焊接过程大量焊丝的填充带入熔池的熔滴热量和激光焊接过程中的小孔能量沉积效应,建立了复合热源模型。使用ABAQUS有限元软件对上述焊接过程进行了温度场模拟,同时采用非线性弹性边界条件来模拟真实的工装约束作用;通过与实验结果进行对比,模拟的焊缝形貌与试验吻合得较好。     

Melt pool vorticity in deep penetration laser material welding

In the present study, the vorticity of melt motion in the keyhole and weld pool has been evaluated in case of high power CO₂ laser beam welding. The circulation of vorticity is obtained as a function of Reynolds number for a given keyhole volume which is linked to Mach number variation. The shear stress and thermal fluxes present in the turbulent pool are linked to diffusivity and Prandtl number variation. It was shown that below a critical value of Rayleigh number, the conduction mode of melt transfer signifying beam absorption becomes dominant. Above this value, convective heat transfer indicates melting and evaporation occurring in the weld pool during laser welding. The evaporative recoil pressure expels the liquid while surface tension and hydrostatic pressure help to retain the melt in the keyhole cavity in this high power laser beam welding. The understanding of several hydrodynamic phenomena occuring in the weld pool is valuable not only for understanding basic mechanistic aspects but also for process optimization involved in laser beam welding.     

Solidification behaviour in plasma are welding

Melting and solidification behaviour in the deep penetrution welding process is different from that in conventional welding process in deep penetration processes there is keyhole formation and the full thickness of the plate receives the are heat input unlike conventional processes in which the heat input is received only by the surface nodes. In the present study, the thermal analysis of molten pool formation and solidification keyhole welding using plasma are welding has been done using the finite element method. The model accounts for the several phenomena associated with welding, like the distributed are heat input over the top surface and along the thickness, the temperature-dependent material properties. convection and radiation heat losses etc. The analysis is performed for different combinations of parameters. viz welding current and welding speed, which have the maximum influence on molten pool shape and solidification behaviour. The model has also been validated by conducting experimental measurement of thermal cycles experienced by the plate for different welding parameters. The weld pool dimensions. viz. the length and widlh are found to increase with inincreasing current and decereasing welding speed. Thermal cycles at locations close to the weld reach a higher value of temperature and the time for peak temperature is also less but at farther locations the peak temperature reached is lower and the time for peak temperature is higher. Details of the model, the experimental results obtained and the solidifications charateristics of the pool are discussed in this paper.