不锈钢/碳钢TIG焊熔池表面流动行为

为研究异种钢在钨极惰性气体保护焊过程中的熔池表面流动行为,以粒子示踪法为基础,通过激光熔池表面反射的方法,对304不锈钢/Q235碳钢、316L不锈钢/Q235碳钢焊接过程中熔池表面液态金属的流动行为进行了研究,分析了熔池表面示踪粒子的运动趋势,并以此为依据计算了熔池表面液态金属的流动速度.结果表明,在不锈钢/碳钢的TIG焊过程中,熔池表面的液态金属存在从不锈钢侧流向碳钢侧的流动行为.其中,示踪粒子在304不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为25.3 mm/s,在316L不锈钢/Q235碳钢的焊接熔池表面平均流动速度约为21.6 mm/s.     

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.     

15-5PH钢K-TIG焊熔池流动行为分析

采用K-TIG焊实现15-5PH钢中厚板的焊接,并借助示踪法研究K-TIG焊熔池的流动行为. 结果表明,K-TIG穿孔型焊接时,焊缝上部为马兰戈尼对流圈,下部为表面张力与洛伦兹力导致的对流圈,两个对流圈中间为过渡区. 示踪法表明,熔池上部和下部W元素呈弧形分布于对流圈外围,而在过渡区中W元素未出现明显形状. 熔池下方对流圈EDS分析结果表明,熔池下方的熔融金属以内旋方式流动. 熔池流动计算及试验结果均表明,熔池上部和下部流动剧烈,但是中间层流动加速度很小,且随着焊接热输入的增大,中间层流动加速度有降低的趋势,中间层晶粒有长大趋势.     

外加磁场对镁合金焊接熔池形态的影响

以镁合金焊接熔池为研究对象,建立了移动热源作用下焊接熔池的三维数学模型. 利用大型通用有限元软件ANSYS将电磁场分析结果导入到热流场分析中,实现电磁场和热流场之间的耦合分析. 模拟了无外加磁场作用下以及外加磁场作用下镁合金焊接熔池的温度场分布和流体流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场产生的电磁力驱动熔池中熔融的液态金属发生旋转运动,改变了液态金属原有的运动方式和传热方式,流体流动速度和流动范围增加,焊缝熔宽增大,熔深减小. 试验结果验证了模拟结果的可靠性.     

焊剂带约束超窄间隙焊接母材熔化及熔池形成

为认识超窄间隙焊接母材熔化特性及熔池形成机制,在放置焊剂带的I形坡口中进行熔化极电弧焊接试验,采用一种快速中断电弧的方法,保留焊接过程中焊剂带、坡口底部和侧壁的熔化形态.结果表明,电弧区焊剂带热收缩效应和固壁约束作用能有效约束坡口中电弧作用范围.当选择合适的侧壁根部焊剂带裸露高度时,电弧加热区域控制在坡口底部和侧壁根部,熔滴过渡的冲击作用及电弧力集中在熔池前端,使熔融金属产生有利于排出熔池中气体和熔渣的流动,形成无缺陷焊缝.当侧壁根部焊剂带裸露高度大于一定值时,电弧所受约束减小,加热区域扩展到较大范围的坡口侧壁上,熔滴过渡分散在坡口底部和侧壁,熔融金属难以形成贯穿熔池的流动,焊缝存在较多孔洞.     

电子束定点焊接304不锈钢熔池流动行为数值模拟

基于电子束焊接过程的传热与受力物理过程分析,建立相应模型,对电子束定点焊接304不锈钢的温度场与流场进行数值模拟,研究电子束焊接熔池流动行为及焊缝成形规律.结果表明,电子束加热阶段,熔池上表面温度梯度达到106 K/m,熔池表面峰值温度高,在沸点温度附近波动,强烈的金属蒸汽反作用力成为熔池流动的主要作用力,促使熔池中心下凹并不断波动,熔池冷却凝固阶段,金属蒸汽反作用力下降,熔池金属表面张力梯度引起的Marangoni对流成为熔池金属流动主要驱动力,促使焊缝表面熔宽增大,熔池凝固后焊缝上表面宽度为1.9 mm,中心处宽度为1.6 mm,下表面宽度为1.8 mm.     

圆形摆动激光对5A06铝合金激光焊接熔池流动行为的影响分析

摆动激光焊接方法中,激光束对于熔池的搅拌作用将导致熔池流动行为有异于传统激光焊接,因此为了从理论上阐述摆动激光焊接过程中熔池流动行为,构建了5A06铝合金摆动激光焊接过程热—流耦合模型.系统分析了圆摆激光焊接过程中,摆动幅度和摆动频率对熔池热流场的影响规律.结果表明,增加摆动幅度会降低熔池深宽比,从而提高焊接稳定性,同时熔池流动行为更加复杂,增大了熔池内部物质交换范围.摆动频率的增加会抑制熔池流动,使其更加规律,有利于气泡的排出从而降低气孔率.     

激光焊接熔池动态行为数值模拟的进展与分析

激光焊接匙孔和熔池行为与焊接缺陷的形成和焊接质量直接相关,研究激光焊接匙孔和熔池行为对理解激光焊接机理和控制焊接质量具有重要意义。国内外学者根据焊接过程中的物理现象和测试数据,提出了相应的数学模型和计算方法,来模拟熔池内部的流动行为、匙孔的演化行为及其内部金属蒸汽的动力学行为,通过激光焊接熔池行为的数值模拟可提前预测并采取相应措施降低焊接缺陷的形成,将有利于提高激光焊接工件的焊缝质量。对国内外激光焊接熔池行为的数值模拟技术,如激光深熔焊、双束激光焊接、真空激光焊接、磁场作用下的激光焊接、液态金属作用下的激光焊接熔池动态行为数值模拟的研究现状进行了分析和概括,以期为激光焊接熔池数值模拟方面的研究提供参考。     

考虑熔池流动的异种材料激光焊接接头的热流固耦合模拟研究

由于材料属性的不同,异种材料在焊接过程中熔池内液态金属的流动更加激烈,对焊缝中的材料组分、温度以及应力的影响不可忽略。以不锈钢和低碳钢激光焊接对接接头为研究对象,采用高斯体热源,在考虑和不考虑熔池流体流动两种情况下,用热流固耦合方法研究了焊接接头的温度场、熔池流场、熔池的形貌、位移场和应力场。结果表明,在远离热源区域熔池流动对温度的影响较小,但在热源附近,考虑熔池流动时最高温度和温度梯度都比不考虑熔池流动的计算结果要小;两种情况下残余应力、横向收缩以及角变形都有明显的差异;此外,通过焊接接头的断面形貌特征的比较,发现异种金属在考虑熔池流动时计算结果更加接近试验结果。研究结果验证了异种金属激光焊接时考虑熔池流动的热流固耦合有限元分析的必要性。     

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.     

活性MAG焊电弧特征及熔池流动分析

提出了活性熔化极气体保护焊新方法,可增加焊接熔深,改善难熔焊接结构的熔合不良,获得高质量的焊接接头.对活性熔化极气体保护焊电弧状态和熔池表面形态进行了采集和分析,用钨粒子示踪法进行试验,分析了电弧形态和熔池流动.结果表明,活性熔化极气体保护焊电弧收缩显著,电弧形态更加集中,熔池内部液态金属的流动方向为从熔池周边向中心流动,熔池流动更为有序.对于钢的活性熔化极气体保护焊方法,熔池流动行为改变是增加焊接熔深的主要因素.     

钛合金激光穿透焊的焊缝成形(II)

在前文基础上进一步研究了钛合金激光穿透焊的热源作用模式及熔池流动特点对焊缝成形的影响.研究结果表明,钛合金激光穿透焊的焊缝成形是焊接过程中"两点一线"热源作用模式和熔池流动传热特点所决定的.焊接热输入和激光功率密度对"两点一线"热源作用模式及熔池流动传热特点具有重要的影响.随焊接热输入和激光功率密度的增大,金属蒸气和等离子体的热辐射以及熔池上部和熔池下部的流动传热作用增强,焊缝截面由钉形向近X形转变.根据点、线热源叠加原理获得了"两点一线"热源温度场模型.     

激光焊接过程的熔池动态行为研究

文中首先采用高速摄像在线监测系统对激光自熔焊、激光填丝焊熔池动态行为进行分析，并对焊缝成形进行对比分析，进一步采用数值模拟的方法对激光自熔焊、激光填丝焊填充金属作用下的焊接熔池动态行为进行对比分析.研究结果表明，激光自熔焊匙孔壁后方熔池表面附近出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，在匙孔开口后方出现了金属隆起，金属的隆起尺寸较大，激光自熔焊焊缝成形较差，表面有凹坑出现.激光填丝焊匙孔壁后方熔池表面出现由匙孔开口处向熔池尾部流动的情况，但在其下方出现由熔池尾部回流向匙孔的流动，虽然也会产生焊接飞溅，但焊接飞溅的尺寸相对较小，而且由于液态金属的填充作用，焊缝表面不易出现下凹的缺陷，焊缝成形良好.与激光自熔焊相比，液态熔滴进入熔池后，匙孔壁后方的熔体流动速度波动程度明显增大.     

微束等离子弧焊三维焊接堆垛过程塌陷

采用搭建的三维运动平台对微束等离子弧焊三维焊接堆垛过程中收弧位置塌陷问题进行了研究,利用CCD相机实时跟踪拍摄整个三维焊接堆垛过程,在此基础上分析了堆垛过程中的熔池流动和熔滴过渡变化,并分析了熔池所受作用力及焊接工艺参数对塌陷的影响.结果表明,收弧位置堆垛墙体下塌是由于被挤压到熔池尾部的液态金属来不及回流以及焊丝最后的熔滴未过渡到熔池中导致填充金属不足、熔覆金属的流淌造成的,且随着堆垛墙体收弧端的下塌量累积,熔滴不能稳定过渡到熔池中,进一步加剧了堆垛墙体在收弧端的塌陷,从而使得三维焊接堆垛过程难以继续.     

磁场和活性焊联合作用对焊接熔池形态的影响

为了研究磁场和活性焊联合作用对焊接熔池中液态金属流动形态的影响,文中建立了移动热源作用下镁合金TIG焊三维瞬态数学模型. 利用fluent软件及其二次开发功能,模拟了单独磁场、单独活性焊和两者联合作用对焊接熔池温度场和速度场的影响. 模拟结果表明,在单独磁场作用下,熔池中液态金属呈顺时针定向旋转运动,速度场呈不对称双峰分布,最大速度偏向熔池一侧;在单独活性焊作用下,熔池中液态金属形成由外向内的对流模式,从而冲刷熔池底部增加熔深;在两者联合作用下流体流动较为复杂,熔池表面附近液态金属流动主要受表面张力的影响,熔池内部主要受外加电磁力的影响.     

基于计算机三维模型的激光-电弧复合焊接过程中热现象分析

对激光-电弧复合焊接过程中的热现象建立了计算机数学模型,并进行相应分析,该模型可有效评估熔池的温度场和熔融金属的速度场。计算模型综合考虑了电弧热源和激光热源、熔化潜热和蒸发潜热以及熔融金属从多孔介质中的流动潜热等因素。实验验证,计算机模型对激光-电弧复合焊接的模拟结果与实验结果相吻合。     

基于实测小孔的激光深熔焊接三维传热模型

激光深熔焊接的传热过程包括热传导和焊接熔池内熔融材料的对流流动.考虑了熔池的对流和材料热物性参数的温度依存性,建立了激光深熔焊接的三维传热模型,以试验所得小孔为原型;考虑了熔池中流质的轴向流动及轴向的温度变化;采用了"固液同一法",让温度低于液相线的材料粘性系数趋于无限大,而高于液相线的材料则采用实际值.采用有限单元法对模型数值求解的结果表明,激光焊接温度中的等温线为一组类似椭圆的曲线;小孔前沿的温度梯度、速度梯度大;后沿的温度梯度、速度梯度小;焊接熔池中的对流流动是在表面张力驱动下产生的.     

高速GMAW驼峰形成过程的数值分析

文中通过数值模拟来研究常速、高速熔化极气体保护焊的温度场和流场,并利用高速摄影观察熔池流动,分析了驼峰形成过程.结果表明,常速焊接熔池纵截面同时存在逆时针向内和顺时针向外两种流动方式,但随着焊接速度的提高,熔池纵截面仅存在逆时针向内单一流动方式.高速焊接时,较大动量的后向液体流和足够大的表面张力促进液态金属在熔池尾部不断堆积、变大.沿焊接方向,熔池受到不均匀的表面张力法向力作用而收缩,这是驼峰形成的两个重要因素.任何能降低表面张力的措施,都能抑制驼峰的形成.     

三维静态锥体热源穿孔等离子弧焊接熔池的数值模拟

采用三维静态锥体热源对穿孔等离子弧焊接过程进行数值模拟.研究了三维锥体热源作用下焊接熔池流体流场、熔池内金属的流动方式以及熔池流体运动速度的变化.并与高斯热源条件下的模拟结果做比较.最后进行PAW焊接工艺试验,通过测量尾焰信号及焊缝尺寸等判断焊接熔池特征,将理论计算结果与试验测量值进行比较.     

不同组元活性剂对不锈钢脉冲TIG焊熔池表面张力的影响

准确获取焊接条件下熔池金属表面张力的基础数据对深入理解焊接过程中熔池金属流动及传热机制、焊缝缺陷形成等具有重要意义,但实时测量十分困难. 采用激光视觉法测量了单一组元(TiO₂,CaF₂)及二组元(30%TiO₂ + 70%CaF₂,70%TiO₂ + 30%CaF₂)活性剂下304不锈钢脉冲钨极氩弧焊熔池振荡频率,并根据特定模式下熔池特征频率与表面张力的解析模型计算了熔池金属表面张力,分析了不同组元活性剂对熔池金属平均表面张力的影响规律,在此基础上研究了不同组元活性剂对焊缝熔深的影响和增加熔深的机理. 结果表明,TiO₂能够改变熔池金属表面张力温度梯度,使熔池金属流动方向发生变化,CaF₂能够降低熔池金属表面张力绝对值,使熔池金属流速增加;二组元活性剂增加熔深是熔池金属流速增加和表面张力温度梯度改变共同作用的结果.