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.     

送丝速度对电弧增材熔池流动及焊道成形影响的数值模拟

通过数值模拟研究了不同送丝速度下电弧增材制造单道熔积成形过程中的传热传质及熔池流态，分析了送丝速度对焊道形貌的影响.结果表明，当送丝速度较小时，基板接受的电弧热较多，熔池的熔深较深且流动性较强，成形焊道较宽且高度较低；随着送丝速度的增大，熔融金属向上堆积，熔池体积增加，送丝速度达到一定值时，电磁力与表面张力达到动态平衡，熔深与焊道高度接近；当送丝速度较大时，液态金属对流减弱，熔深较浅，在表面张力的作用下，熔池边缘收缩导致焊道隆起.模拟与试验结果吻合较好，研究结果可以为GTAW电弧增材技术的工艺参数调控提供理论依据.     

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.     

TA31钛合金电弧增材制造过程液桥过渡数值分析

建立了电弧熔丝增材制备TA31钛合金过程传热传质的三维瞬态计算流体力学模型,采用流体体积法对自由表面进行追踪,计算了熔滴生长、液桥过渡和脱离焊丝进入熔池的动态演化,以及在表面张力、电弧压力、电弧剪切力、电磁力、重力和热浮力的作用下熔池流体流动的速度分布,并通过与高速成像以及沉积层横截面的比较,验证了该数值模型的有效性。结果表明：液桥过渡模式对熔池冲击较小,有利于减少成形表面的不规则性。随着熔池几何形状的扩大,沉积层高度先增大后减小,最后趋于稳定。在电弧压力和表面张力的作用下,熔池表面形成凹陷,熔池内部产生对流。惯性力和表面张力是影响液桥流动的最重要驱动力,粘性力和重力的影响可以忽略不计。     

MIG焊接熔池形成与凝固过程数值模拟

利用FLOW3D软件建立三维数学模型,模拟A36船用低碳钢熔化极惰性气体保护焊(MIG)的瞬态温度场和流场,分析起弧后熔池形成和熄弧后熔池凝固两个过程。采用了双椭球热源模型,考虑了重力、电弧压力、表面张力、电磁力、浮力,以及辐射、蒸发、熔滴的动态冲击作用。结果表明,熔池形成过程中,熔池前部发生下凹变形,熔深慢慢增大,达到准稳态后基本保持不变。电弧下方液态金属温度最高,最高温度随时间变化不大,熔池内同时存在熔滴冲击力、电磁力引起的向内流动和表面张力引起的向外流动。熄弧后,熔池内只存在表面张力引起的向外流动,震荡幅度降低。熔池横截面具有一个较大的外接触角(均大于π/2),此时尽管存在液态金属的震荡,熔池也是稳定的。模拟预测的焊缝尺寸,形状与试验吻合良好。     

A-TIG焊中氧含量对熔池流动方式影响的数值模拟

建立了三维移动热源作用下焊接熔池的数学模型,模拟了不同氧含量下熔池中的速度场和温度场.结果表明,氧化物活性剂中的氧元素改变了熔池中的表面张力温度系数,从而影响熔池中的流动方式,是熔深和深宽比增加的重要原因;随着氧含量的增加,深宽比和熔深急剧增加,熔宽减小.当氧含量超过150×10-6时,增加氧量,熔池表面最高温度减小,并逐渐趋于一定值;当氧含量超过200×10-6时,深宽比、熔深和熔宽趋于一定值;氧含量小于300×10-6时,熔池表面最高温度高于正表面张力温度系数作用的温度范围,正、负表面张力温度系数在熔池中同时存在.当氧含量超过300×10-6时,熔池表面最高温度处于正表面张力温度系数作用的温度范围之内,熔池中的表面张力温度系数为正值;随着氧含量的增加,在熔池中出现数目、大小、方向、位置不同的涡流,当两个涡流的方向均由熔池边缘流向熔池中心的环流时,涡流有效地把电弧能带到熔池底部,产生较大的熔深和深宽比.     

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.     

背反射增效激光焊接熔池匙孔相变及流场分析

建立了背反射增效激光焊焊接熔池流动中气相区、液相区和固相区的统一模型，在模型中考虑了等离子体/蒸气云和小孔吸收机制，综合了表面张力、热浮力和重力的作用. 基于数值计算得到了熔池的三相匙孔相变以及流场，重点分析了表面张力对熔池流动和传热的影响. 此外，通过钛合金薄板的背反射增效激光焊接试验对模型进行了验证. 结果表明，匙孔引发等离子体/蒸气云与背面垫板诱发羽辉的耦合作用，是X形焊缝熔池形貌形成的主要原因；同时，表面张力是形成背反射增效激光焊接熔池内“椭圆回流环”的主要驱动力.     

旋转电弧焊接熔池温度场与流场数值模拟

建立了旋转电弧焊接热源模型,综合考虑了电磁力、熔滴冲击力、表面张力、电弧压力、浮力等外界作用,对旋转电弧焊接条件下的熔池温度场和流场进行了数值模拟。模拟结果表明,电弧不旋转焊接时,在熔池的上部,铁水由熔池中心向熔池边缘流动,流场和温度场在焊缝的横截面上均呈现出对称分布的特征;在熔池的下部,铁水由熔池边缘向熔池中心流动,这种流动导致了指状熔深的产生。旋转电弧焊接时,在熔池中产生了一个绕着电极轴线逆时针运动的涡状流动,熔池的流场和温度场在焊缝的横截面上不再对称;在熔池的下部,则没有出现铁水由熔池边缘向熔池中心流动的情况,与普通焊接相比,熔池的熔宽变大,熔深变小。     

局部干法横焊熔池温度场与流场的数值模拟

电弧在局部干法条件下,其形态、热量分布和工件的散热条件均发生了显著改变,本文建立了局部干法条件下横向焊接热源模型,综合考虑了电磁力、熔滴冲击力、表面张力、电弧压力、浮力等外界作用,对局部干法条件下不同水深的横焊熔池温度场和流场进行了数值模拟。模拟结果表明,在熔池的上部,铁水由熔池中心向熔池边缘流动,铁水向上的流动速度小于向下的流动速度,造成电弧上方熔宽小,下方熔宽大,熔池的流场和温度场在焊缝的横截面上不对称。随着水深的增加(100 m),温度降低,熔深先减小后增加,横焊熔池下塌现象也先缓解后变严重。     

不同驱动力对熔池表面变形行为影响的数值模拟

基于流体动力学方程，采用焓-孔隙度法来处理液-固相变，采用VOF方法追踪熔池自由表面变形，建立了固定电弧下的三维瞬态TIG焊熔池数学模型，求解获得了在浮力、Marangoni力、电磁力和电弧压力单独作用时的熔池表面变形行为及其温度场与速度场的分布.模拟结果表明，在大电流（I≥250 A）时，在浮力、表面张力温度系数为正时的Marangoni力、电磁力单独作用于熔池上表面将会产生凸起变形，在电弧压力、表面张力温度系数为负时的Marangoni力单独作用下，熔池上表面将会产生凹陷变形.在大电流下，TIG焊和活性TIG焊熔池均产生凹陷变形.TIG焊熔池的中心区域形成向内的涡流，边缘部位形成向外的涡流，而活性TIG熔池在熔池中心和熔池边缘则分别形成两种成因不同的内向涡流.熔池表面变形量并不是各个驱动力作用的简单叠加.     

Numerical simulation of asymmetric fillet weld pool based on temperature field and flow field coupling

The temperature field and flow field were analyzed to solve the problems of unstable penetration and poor forming quality,which always happen in asymmetric fillet welding. In order to explore the effect of the welding parameters on welding and improve the quality of forming,a three-dimensional mathematical model of asymmetric fillet welding was established by using the finite element software COMSOL and the coupling equation. The model was considered about the surface tension gradient,the electromagnetic force,gravity and the effect of temperature,radiation and convection heat on physical properties of the material. The flow field and the growth pattern of the weld pool were analyzed,and the weld pool geometry under different welding currents was compared. The results show that,the thin metal was preferentially penetrated,and with the welding process the weld width expanded until the weld beam was fullpenetration. The heat affected zone was got from weld experiments,its shape and size agreed well with the simulation results,which verifies the validity of the theoretical analysis.     

高强铝合金VPPA-MIG复合焊接焊缝成形机理

VPPA-MIG复合焊集VPPA穿透力强和MIG焊熔敷效率高的优点,弥补了单VPPA焊工艺区间窄且需立焊和MIG焊熔深浅的不足. 使用Red Lake Y4高速摄像获取6 mm厚2A12铝合金VPPA-MIG复合焊接熔池图像,建立了熔池受力模型. 对比分析了复合热源不同能量配比对焊缝成形和熔池形貌的影响及VPPA-MIG与单MIG焊缝成形特点. 结果表明,VPPA-MIG复合热源相比单VPPA热源易保持焊缝成形稳定性. VPPA电流接近穿孔阈值时,配合较低功率MIG热源可以获得6 mm厚2A12铝合金良好焊缝成形;VPPA能量比例过低时,小孔较浅,熔化效率较低,不能起到增加熔深的作用;VPPA能量比例过大,易使熔池失稳,焊缝成形不良. 热源输入功率相同时,VPPA-MIG复合焊比MIG焊显著增加焊缝熔深和深宽比,提高生产效率.     

Numerical simulation of heat transfer and fluid flow in GTA/Laser hybrid welding

Abstract

In order to understand the temperature fields, cooling rates and mixing in the weld pool, a comprehensive, three-dimensional heat transfer and fluid flow model is developed and tested by comparing model predictions with two sets of experimental data. The first set of data was taken from the literature. The experiments varied the separation distance between the heat sources for three arc current levels at a constant laser power. The second set of experiments analysed the effect of varying laser power for a constant heat source separation distance. The results demonstrate that the distance between the two heat sources significantly affects the cooling rates. The calculated results showed that the hybrid weld pool was very well mixed with strong convection currents resulting from the interaction between the electromagnetic and Marangoni forces. The calculated and experimental results showed that hybrid welding increases the weld pool width and gap bridgability when compared with laser welding. The weld pool depth in hybrid welding was affected mainly by the characteristics of the laser beam. Hybrid weld pool penetration depth is maximised at an optimal distance between the arc electrode and laser beam. The cooling rate increases significantly when the heat sources are separated beyond a critical distance. At close separation between arc and laser, calculations show that the arc radius must be decreased to achieve the observed weld depths.     

激光-电弧复合焊接咬边缺陷分析及抑制方法

为了提高激光-电弧复合焊接的可靠性,对复合焊接咬边缺陷成形机理及抑制方法进行了研究.结果表明,激光能够提高复合焊接的临界咬边速度,最高可达电弧焊接的5倍.在激光-电弧相互作用下,复合焊接存在两种抑制咬边的机理.一种是改变焊趾处固、液、气三相的表面张力状况,形成指向熔池外部的合力.另一种是通过提高熔池内温度梯度和热输入来增加熔池内由内向外的流动速度和时间,使熔化金属能够流向并填充焊趾,这种抑制机理作用更为显著.试验确定了复合焊接临界咬边速度的经验公式和电弧电压的合理调节范围.     

Mathematical analysis of the role of recoil pressure in weld pool dynamics during laser-MIG hybrid welding

A mathematical model was established to simulate the weld pool development and dynamic process in stationary laser-MIG hybrid welding. Surface tension and buoyancy were considered to calculate liquid metal flow patter, moreover, typical phenomena of MIG welding, such as filler droplets impinging weld pool, electromagnetic force in the weld pool, and typical phenomena of laser beam welding, such as recoil pressure, Inverse Bremsstrahlung absorption, Fresnel absorption were all considered in the model. The laser beam and arc couple effect were introduced into this model by the plasma width during hybrid welding. The role of recoil pressure in the weld formation was discussed. Transient weld pool shape and complicated liquid metal velocity distribution from two kinds weld pool to an unified weld pool were calculated. The simulated weld bead geometry with consideration recoil pressure was in good agreement with experimental measurement.     

Modeling transient fluid flow and heat transfer phenothena in stationary pulsed current TIG weld pool

ＭｏｄｅｌｉｎｇｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｕｉｄｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｈｅｎｏｔｈｅｎａｉｎｓｔａｔｉｏｎａｒｙｐｕｌｓｅｄｃｕｒｒｅｎｔＴＩＧｗｅｌｄｐｏｏｌ￥ＺｈｅｎｇＷｅｉ；ＷｕＣｈｕａｎｓｏｎｇａｎｄＷｕＬｉｎ（ＨａｒｂｉｎＩｎ...     

外加横向磁场对304不锈钢焊接熔池影响机理分析

为了改善焊缝成形及提高焊接零件组织和性能,文中采用有限元法对外加磁场作用下的304不锈钢焊接熔池进行电磁场和热流场之间的耦合分析,得到了有无外加横向磁场作用下熔池内液态金属流动的速度矢量分布. 结果表明,外加磁场使熔池横截面最大流速分布由单一的熔池中心中部改为熔池中心上表面略靠下和熔池底部;熔池纵截面最大流速由首尾端漩涡交汇处改为沿两个漩涡流动方向较均匀分布,这是由于电磁压力抵消了部分表面张力,使表面张力的作用位置更靠近熔池中心位置. 在304不锈钢上进行堆焊试验,焊道横截面组织形貌证实了上述模拟结果.