氧元素分布模式与AA-TIG焊熔池形貌的数值模拟

文中结合电弧辅助活性TIG焊熔池氧元素分布的试验研究结果,提出焊接熔池表面氧元素分别与熔池表面温度和位置相关两种分布模式,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,求解结果与已有的试验结果和理论研究吻合良好. 结合求解结果,利用格拉晓夫数G_r,磁雷诺数R_m和表面张力雷诺数M_a分析了浮力、电磁力和表面张力的相对作用大小; 利用Peclet数分析了熔池热对流和热传导的相对强弱. 结果表明,电弧辅助活性TIG 焊熔池表面张力作用远大于电磁力和浮力,并决定熔池流动形式;熔池热对流主导熔池的传热过程,揭示了不锈钢活性TIG焊活性元素决定深而窄的熔池形貌的内在本质.     

考虑自由表面的TIG焊熔池行为数值模拟

根据TIG焊接过程中的实际情况,利用VOF方法追踪自由表面,建立了包括自由表面的三维瞬态TIG焊熔池模型。采用FLUENT软件,考虑浮力、电弧压力、电磁力以及表面张力,对不同焊接电流下的TIG焊熔池行为进行数值模拟,得到了熔池的温度场、流场和自由表面变化情况。结果表明:所建立的TIG焊熔池模型是正确的,随着焊接电流的增大,熔池最高温度升高,熔深、熔宽以及自由表面变形程度也随之增大。     

活性元素氧对AA-TIG焊熔池传输行为影响的数值模拟

电弧辅助活性TIG焊(arc assisted activating TIG welding,AA-TIG焊),采用辅助电弧以Ar+O₂作为保护气体预熔待焊母材表面以形成氧化层,再进行常规TIG焊,可使熔深明显增加.文中结合AA-TIG焊熔池氧元素分布的实验研究,提出焊接熔池表面氧元素的两种不均匀分布模式,考虑浮力、电磁力和表面张力,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,模拟研究氧元素在熔池表面呈不均匀分布时,AA-TIG焊瞬态熔池中动量及能量的传输行为.假设熔池内部液态金属是湍流、不可压缩Newton流体,使用FLUENT RNG k-ε湍流模型进行处理.结果表明,当氧在熔池上表面呈非均匀分布,并且氧的不均匀分布模型为低氧模型时,熔池内部仍然以内对流流动为主.     

双钨极TIG电弧-熔池传热与流动数值模拟

针对双钨极TIG电弧热源,在已建立的双钨极电弧-熔池统一的三维数学模型的基础上,以SUS304不锈钢为母材,模拟得到了双钨极TIG电弧和熔池的温度、速度、电流密度、磁通密度和电磁力等分布,模拟结果与已有的实验结果吻合良好.考虑了熔池所受浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力以及湍流效应,分析了熔池热输入的分布和熔池表面剪切力的变化,并分别比较了这几个力单独作用下的熔池流动与传热,同时结合无量纲数Pe,比较了熔池热传导和热对流的相对强弱.结果表明,双钨极电弧的非轴对称特性导致熔池表面的电流密度、热流密度、等离子流拉力和Marangoni剪切力等出现非轴对称分布,最终形成了熔池的非轴对称形貌,而熔池的发展演化对电弧行为无明显影响.与TIG电弧相比,双钨极TIG电弧的等离子流拉力明显减小.Marangoni剪切力决定不锈钢熔池的流动状态,且对流传热主导不锈钢熔池的热传递,这两者的共同作用决定熔池的传热过程,是形成不同熔池形貌的根本原因.     

基于Fluent熔池内部受力的数值分析

根据TIG焊熔池的实际情况,建立了定点热源作用下TIG熔池的二维轴对称数学模型.利用FLUENT软件及其UDF进行二次开发,同时考虑了相变潜热、材料热物理性参数随温度变化等问题,对熔池中的流场及温度场进行了数值模拟,分析了熔池内部所受到的浮力、Marangoni力、电磁力和电弧力等对其流场及温度场的影响规律,特别是针对...     

考虑自由表面的定点A-TIG焊数值分析

根据流体力学基本原理,并用VOF方法追踪自由表面,建立了更接近实际情况的三维定点A-TIG焊熔池数学模型,综合考虑了熔池液态金属所受的浮力、电磁力、电弧压力和表面张力,同时考虑了熔池内液态金属的对流、辐射和热传导,运用FLOW-3D软件求解得到了定点A-TIG焊熔池自由表面、温度场及流场,并重点分析了有、无活性剂时熔池自由表面的变化情况. 结果表明,不使用活性剂时,熔池自由表面呈中心下凹、两边凸起的形状;使用活性剂时,表面张力温度系数由负变正,使熔池自由表面呈中心凸起、两边下凹的形状;在焊接电流I≤150 A的条件下,有、无活性剂时考虑自由表面变形情况下温度场、流场及熔池形貌的数值模拟结果与试验结果和不考虑自由表面变形时现有的数值模拟结果基本一致.     

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.     

TIG焊熔池表面变形的数值模拟

建立了考虑自由表面的TIG焊熔池模型,采用移动双椭球焊接热源,利用FLUENT模拟了不同电流下熔池表面的应力场,分析了不同电流时电弧压力对熔池表面变形的影响。结果表明,不同电流下TIG焊熔池表面的应力分布左右(垂直焊缝方向)对称,前后(垂直焊缝方向)不对称;熔池左右应力值呈抛物线状分布,焊缝中心处最大,熔池前后应力分布出现后拖现象,熔池前半部分应力分布比较密集,而熔池尾部应力分布比较稀疏;电流越大,应力梯度越大。在一定电流范围内,随着电流的增大,电弧压力随之增大,熔池表面变形量也越大。模拟结果与实验结果作对比,验证了模拟的正确性。     

超声复合焊接系统声场模拟及焊接电弧压力分析

提出了超声复合焊接空间中声场参数的分析方法,根据超声复合焊接特性构建了分析模型,利用COMSOL有限元分析软件模拟分析了声场参数随着发射端半径的变化情况,同时模拟分析了声场参数在不同电弧空间高度的变化规律.采用静态小孔法对不同焊接参数下稳定燃烧的直流U-TIG焊和普通TIG焊的电弧压力分布进行了测量.结果表明,U-TIG焊电弧压力峰值明显高于普通TIG焊,复合电弧能够提高焊接时熔池表面上方的电弧压力水平,但是随着电流增加,U-TIG焊和普通TIG焊电弧压力峰值的差值减小.分析认为大电流时,弧柱中心区域温度很高,电流密度很大,使TIG焊电弧压力峰值明显升高,而U-TIG焊电弧等离子流力受到气体流量的限制,电弧压力峰值增幅减小.     

钽薄板小间隙TIG氦弧对接焊熔池形成机理的研究

针对钽薄板TIG小间隙的特点,在试验和数值分析基础上建立了钽薄板小间隙TIG氦弧对接焊熔池形成的数学物理模型,从理论、数值计算和工艺试验角度研究了钽薄板小间隙TIG氦弧对接焊熔池的形成机理.研究结果表明,由于对接间隙的存在,工件熔化时在对接边缘形成一倾斜的固液界面,熔化金属在表面张力作用下收缩成熔滴吸附于倾斜面上,随着电弧输入热量的增加,工件继续向对接间隙处膨胀,同时熔滴体积不断增大.当重力和电弧力沿倾斜面方向的分量大于表面张力对熔滴的作用时,对接工件上的熔滴沿倾斜面向下流向对接间隙处形成熔池.MATLAB的计算结果与试验结果相符.     

焊接电弧与活性组元对TIG焊熔池形貌影响的数值模拟

通过对FLUENT软件进行二次开发,建立了焊接电弧和焊接熔池模型,模拟分析了不同活性组元O元素含量下定点和移动TIG焊熔池形貌变化,对比了氩弧和氦弧的电弧参量及其对熔池形貌的影响.结果表明,由活性组元O元素含量变化导致的熔池内Marangoin对流变化是熔深增加的主要因素;在氩弧下,来自于电弧的气体剪切力对熔池形貌有较大影响;与氩弧相比,氦弧明显收缩,电流密度更大,更多的热量传递到熔池,增大了电磁力引起的内对流运动,可获得更深熔深.焊缝深宽比的模拟结果与试验结果吻合较好.

Abstract：

Welding arc and weld pool modeh were established by FLUENT software for spot and moving TIG welding of SUS304 stainless steel to investigate the effect of the surface-activating element oxygen on the weld shape and analyze the properties of argon arc and helium arc and their effects on the weld shape. The results show that the change of the Marangoni convection induced by different oxygen contents can be considered as one of the principal factors to increase penetration. The plasma drag force from the argon arc has obvious effect on the weld shape. Compared with the argon arc, the hehum arc is more constricted, the welding current density is much greater and the much more heat flux is transferred into the weld pool, which increase the inward convection induced by the electromagnetic force, thus the deeper weld depth can be obtained.The calculated weld D/W ratio agrees with that of the experiment.     

Study of the law between the weld pool shape variations with the welding parameters under two TIG processes

A double-shielded TIG method was proposed to improve weld penetration and has been compared with the traditional TIG welding method under different welding parameters (i.e., speed, arc length and current). The strength of the Marangoni convection was calculated to estimate the influence of the welding parameters on the variations in weld pool shapes. The results show that the changes in the welding parameters directly impact the oxygen concentration in the weld pool and the temperature distribution on the pool surface. The oxygen content and heat distribution on the weld pool surface are determinants of the pattern and strength of the Marangoni convection. For a negative temperature coefficient of surface tension (∂σ/∂T < 0), an outward Marangoni convection leads to a wide and shallow weld pool shape. The narrow and deep weld pool shape occurs when the Marangoni convection flows along an inward direction (∂σ/∂T > 0). The oxide layer that may appear with the relatively high oxygen content in the weld pool is harmful for the heat flow along the pool surface so as to reduce the welding efficiency especially in the double shielded TIG process.     

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。     

激光-等离子弧复合焊接熔池流动和传热的数值分析

建立了激光-等离子弧复合焊接过程中液相区、糊状区和固相区的统一模型,在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的作用,通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场,重点研究了电磁力对熔池流动和传热的影响.结果表明,在熔池形成的初始阶段,表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用,而电磁力的作用受到抑制,随着熔深增加,电磁力作用增强并引起涡旋,导致熔深和下表面熔宽增加.针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与实际相符合.     

激光-等离子弧复合焊接熔池流动和传热的数值分析

建立了激光一等离子弧复合焊接过程中液相区、糊状区和固相区的统一模型，在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的作用，通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场，重点研究了电磁力对熔池流动和传热的影响。结果表明，在熔池形成的初始阶段，表面张力对熔池中的对流和传热起主要作用，而电磁力的作用受到抑制，随着熔深增加，电磁力作用增强并引起涡旋，导致熔深和下表面熔宽增加。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与实际相符合。     

An introduction to physical phenomena in arc welding processes

As is well known, arc discharges have been applied to various processes such as welding, cutting, spray coating, melting and refining. Unlike electrodeless discharge methods such as high frequency discharge of inductive coupling type (eg. RF discharge), arc discharge is a polarized discharge in which the arc is generated between the positive and negative electrodes.¹ Accordingly, when the arc discharge is applied to welding processes, the material becomes one of the electrodes. In TIG welding, the material, that is, the molten pool, generally acts as the anode to the tungsten cathode. As shown in Fig. 1, TIG welding processes are based on the close energy balance between the 'electrode-arc plasma-molten pool'. On the other hand, for the formation of the molten pool, energy transfer from the arc is also important, but energy transfer in the molten pool after that is extremely important, too. In TIG welding of steels, in which energy transfer by convection current becomes dominant rather than thermal conduction,² the penetration at the weld joint has hugely different geometries according to the difference in convective current phenomena at the molten pool. As a driving force of convective current in the molten pool in TIG welding, four forces have been considered,^2-6 as shown in Fig. 1. They are the drag force (friction force) caused by plasma jet (cathode jet) generated by the arc, the buoyancy force induced by the density difference inside the molten pool, the electromagnetic force induced by the current flow inside the molten pool and Marangoni Force induced by the surface tension gradient of the molten pool. These four forces can be said to be also based on the close force balance of the 'electrode-arc plasma-molten pool', as with the energy balance.     

微量活性组元氧对焊接熔池Marangoni对流和熔池形貌影响的数值模拟

针对SUS304不锈钢的定点钨极惰性气体保护焊过程,建立三维瞬态定点热源作用下的焊接熔池数学模型,系统研究了不同氧含量下的熔池温度场、速度场以及熔池形貌演变过程.结果表明:随着熔池中活性组元氧的增加,熔池内的对流模式经历了以外对流为主、内外对流共存到以内对流为主的演变过程,熔池形貌由浅且宽形、"勺"形变成深且窄形.熔池中微量氧直接影响熔池表面张力温度梯度系数,改变熔池表面Marangoni对流模式和熔池最终形貌.当氧含量低于80×10-6时,熔池表面以外向Marangoni对流为主,熔池形貌宽且浅;当氧含量超过120×10-6时,熔池表面以内向Marangoni对流为主,熔池形貌窄且深;当氧含量处于(80-120)×10-6之间时,熔池形貌为"勺"形,并且随时间的增加,熔池内外对流区域逐渐变小,内对流区域逐渐变大.定点联合保护焊实验结果表明,熔池形貌变化规律的模拟结果与实验结果吻合.     

TIG焊接过程中熔池对流形式的示踪分析

为验证传统钨极惰性气体保护焊接过程和双层气流保护焊接过程的熔池表面对流形式,确定双层气流保护焊接方法的熔池深度增加机理,试验研究以钨颗粒为示踪相,焊前将300～500μm的钨颗粒均匀涂覆于焊件表面,同时在熔池底部两侧插入钨板,将焊接熔池中心区域和边缘区域阻隔开.传统钨极惰性气体保护焊接方法在熔池表面产生外向对流,钨颗粒...     

SiO2活性剂对不锈钢钨极氩弧焊电弧现象的影响

通过研究SiO2活性剂TIG焊焊接不锈钢过程中电弧形态、电弧电压及焊缝几何形状的变化,分析了SiO2活性剂钨极氩弧焊电弧等离子体形态、电弧空间电场强度、电弧温度、电弧电流密度及电弧力的影响.结果表明,SiO2活性剂使TIG焊电弧等离子体收缩,加热区域及电弧力更加集中,同时电弧空间电场强度、电弧温度及电流密度显著提高,导致焊缝几何形状变化,但焊道熔宽未发生明显变化.