钛合金VAR过程电弧等离子体流场的数值模拟

依据磁流体动力学理论,运用ANSYS有限元分析软件对真空自耗电弧熔炼过程电弧区流场进行数值模拟.结果表明:在阳极熔池表面熔炼电弧的温度最高,且其附近电弧区压力随着径向距离的增大而增大,而在熔炼电极表面附近,电弧区压力随着径向距离的增加而减小;弧间距的减小不仅使电弧区的流体流动速度减小,而且还导致环路流动范围减小且向坩埚壁靠近.当电极直径为280 mm,熔炼电压为30 V时,理想熔炼弧长可控制在25～40 mm.     

Tri-Arc双丝焊“Γ”形电弧及其促进方法

Tri-Arc双丝三电弧焊通过中间第3弧的M弧重新分配焊接热输入,实现高熔覆率低热输入焊接.M弧与主电弧耦合,在整个动态周期表现为“Γ”形和“μ”形及其镜像形态.该文研究“Γ”形电弧的形成机理和热输入调控机制,结果表明,“Γ”形态由“μ”形态转变而来,熔滴振荡引起焊丝末端间距的变化,从而促进耦合电弧“Γ”形态的形成,此时M弧不作用于母材,比“μ”形电弧焊接热输入更低.为提高Tri-Arc双丝焊接低热输入效果,在维持导电嘴末端到工件距离不变的前提下,提高焊枪枪体抬升距离从而改变焊丝末端间距.当导电嘴长度由30 mm增加至35 mm时,随着焊枪抬升,“Γ”形电弧作用时间逐渐增加,能更好地促进电弧热分配,降低Tri-Arc双丝焊接热输入,从而降低熔池最高温度,获得更小宽高比和更小熔深的焊缝.     

坩埚半径对电磁搅拌制备半固态A356浆料电磁场分布的影响

提出了坩埚半径的设计思路,研究了坩埚半径对电磁搅拌制备半固态A356铝合金浆料时磁感应强度和电磁力分布的影响。通过ANSYS 15.0模拟了不同坩埚半径中半固态A356铝合金浆料受到的磁感应强度和电磁力沿坩埚径向的变化趋势。模拟结果表明,磁感应强度从坩埚中心沿坩埚径向0.85倍距离左右逐渐增大;电磁力整体上随坩埚半径的增大而增大,且增加的幅度越来越大,电磁力从坩埚中心到坩埚径向上0.9倍距离左右逐渐增大,而在边缘处急剧减小。对不同坩埚半径的试验结果进行对比,发现最佳的坩埚半径为30mm。     

保护气流量和弧长变化对电弧温度场与流场的影响

在建立了二维稳态自由燃烧的钨极氩弧焊电弧的轴对称模型的前提下,对不同弧长的电弧和改变保护气流量的电弧模型的温度场和流场进行计算比较.弧长增大,电弧的温度值、电弧电压和电弧轴向速度增加,弧长在8～10mm时轴向速度趋于稳定,气流质量得到了改善.适中的弧长可使阳极试板表面的热输入最大.保护气对电弧有压缩作用,使电弧温度升高.加大流量后对流散热的作用更明显,电极侧面的顺时针漩涡流被抵消和压缩,轴向速度的极大值区向着电极的方向运动,流线也变得相对整齐,但减缓了电弧在熔池表面的流速.     

氮氩气体保护的TIG焊接电弧等离子体流场的数值分析

以直流TIG焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用ANSYS有限元分析软件对二维稳态下轴对称的、氮氩混合气体保护的TIG焊接电弧进行了数值分析,得到了ψ(N2)50% Ar混合气体保护下焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征.分析表明,氮氩电弧的最高温度出现在近阳极区域,电流密度、等离子体速度和电弧压力的最大值均出现在近阴极区.同时分析了不同电流、弧长对阳极表面电流密度的分布的影响,随着电流的增大,阳极表面电流密度增大,而随着弧长的增大,电流密度减小.     

钽薄板TIG焊接电弧形态的研究

通过高速摄像方法研究了钽薄板TIG焊接过程中,保护气体及工艺参数不同时电弧形态的变化规律及其对焊接质量的影响。结果表明：保护气体不同时,电弧形态明显不同。采用TIG焊焊接钽板时使用氦弧能得到更好的焊接质量;当弧长不变,增加焊接电流时,电弧有效作用范围变犬,电弧温度及能量密度高。熔池增大速度较快;当焊接电流不变,弧长增加时,电弧有效加热半径变大,但由于弧长增加而引起电孤热能分散。熔池增长速度较慢,热影响区范围增大。焊接工艺参数的变化时电弧形态的影响规律,对制定钽薄板TIG焊接过程中较为合理的工艺参数具有重要意义。     

旋转磁场对激光熔凝钛合金熔池的影响研究

本文运用有限元方法对不同频率下电磁搅拌辅助装置中心处磁场强度以及熔池电磁力进行了模拟分析,并研究了旋转磁场对熔池电磁力和熔池温度分布及流场影响,结果表明当电流频率增大时,熔池中电磁力首先有缓慢减小趋势,同时功率损耗迅速增大,当频率继续增大时,电磁力逐渐增大,此时功率损耗基本趋于稳定;在激励电流变化的一个周期内,搅拌装置中磁场强度也发生周期性变化。在施加旋转磁场条件下,熔池整体温度有所降低,温度梯度减小,熔池内形成围绕熔池做周向流动的环流,流速分布均匀。     

旋转磁场对激光熔凝钛合金熔池的影响

运用有限元方法对不同频率下电磁搅拌辅助装置中心处磁场强度以及熔池电磁力进行了模拟分析,并研究了旋转磁场对熔池电磁力和熔池温度分布及流场影响。结果表明,当电流频率增大时,熔池中电磁力首先有缓慢减小趋势,同时功率损耗迅速增大,当频率继续增大时,电磁力逐渐增大,此时功率损耗基本趋于稳定;在激励电流变化的一个周期内,搅拌装置中磁场强度也发生周期性变化。在施加旋转磁场条件下,熔池整体温度有所降低,温度梯度减小,熔池内形成围绕熔池做周向流动的环流,流速分布均匀。     

外加纵向磁场对5083铝合金P-GMAW过程的影响

对厚度10 mm的5083铝合金板材进行P-GMAW堆焊试验,在焊接电流240 A的条件下,对比研究有无外加纵向磁场条件下P-GMAW过程中电弧形态、熔滴过渡和熔池行为的差异。结果表明:外加纵向磁场使得电弧快速旋转,弧长变短,熔滴受到切向力作用而旋转,熔滴过渡时出现明显的缩颈,熔池表面出现灰色漂浮物,熔池左右两侧表面波纹不均匀,熔池轮廓向一侧偏移;外加纵向磁场不会改变电弧形态和熔滴过渡的对称性,但是会使熔池受到外加电磁力作用,影响熔池流动的对称性,从而使焊缝偏移。     

基于纵向磁场控制的大直径空心螺柱焊接工艺

采用电弧螺柱焊方法对外径20 mm、内径10 mm的空心螺柱与45钢板材进行焊接,研究了旋弧磁场对接头显微组织特征及力学性能的影响. 结果表明,在纵向旋弧磁场作用下,电弧中电荷受洛伦兹力作用呈螺旋运动,接头外观成形得到改善. 受磁场控制的电弧持续搅拌熔池,改善了焊接热循环条件,影响了熔池凝固结晶过程. 接头中先共析铁素体呈有规律的网状分布,珠光体也变得细化. 接头温度梯度减小使得固态相变时间增长,母材侧热影响区马氏体数量显著下降,热影响区宽度变小. 但旋弧磁场电流过大时焊接过程飞溅倾向明显增大,焊缝中气孔增多. 在焊接时间1 400 ms、焊接电流800 A、旋弧磁场电流0.43 A时,电弧在空心螺柱端面充分燃烧,接头抗剪强度可达到325 MPa.     

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。     

外加磁场对薄壁零件堆焊层形貌的影响

针对薄壁零件在微束等离子堆焊过程中两侧的液态金属下淌导致成形不好的问题,开展薄壁零件在堆焊过程中熔池力学行为分析和熔池成形的控制策略研究. 提出了外加磁场的方法,向熔池施加指向内侧的电磁力,对向下流淌的液态金属进行干预,从而抑制液态金属的流淌. 采用有限元软件COMSOL对工件上产生的电磁场、涡流场及附加电磁力进行仿真分析. 在304不锈钢上开展单道多层堆焊试验,获得了不同磁感应强度下的堆焊层形貌. 结果表明,外加磁场能明显改变微束等离子焊的力学行为和成形规律,并能有效抑制边沿液态金属流淌.     

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.     

直流叠加脉冲型TIG焊电弧─熔池特性分析

针对乏燃料后处理溶解器腐蚀裂纹等缺陷的快速、一次性、可靠焊接修复工程技术需求,提出一种直流叠加脉冲型TIG深熔焊接方法,在10和16 mm厚304不锈钢板上进行了系列平板堆焊工艺试验.以电弧-熔池特性变化为研究对象,对比分析脉冲电流作用和直流叠加脉冲型电流作用的电弧行为、熔池流动行为及温度场的变化规律,探讨了直流叠加至...     

轧辊埋弧堆焊过程多场耦合数值模拟方法研究

埋弧堆焊是冶金行业轧辊修复的重要方法,目前多是对轧辊埋弧堆焊过程中温度场或应力场的单一场进行研究,而埋弧堆焊流场的研究极少。堆焊中的电磁力、温度梯度与熔池内流动密切相关,基于热-弹-塑性理论和流体动力学计算方法(CFD),建立轧辊堆焊过程热-弹-塑-流多场耦合模型,获取堆焊过程温度场、应力场和流场的演变规律,分析表面张力、电磁力、浮力对堆焊熔池流动状态及形貌的影响规律,同时对堆焊工艺进行材料学表征分析。研究成果对预测埋弧堆焊过程多物理场的变化规律、熔池流场演变机理和有效预防堆焊开裂具有一定的实践意义。     

金属液在旋转电磁搅拌器作用下的流动分析

对自行研制的电磁搅拌器中金属液的电磁场和流场进行数值模拟，并进行实验验证。结果表明：在旋转磁场搅拌器作用下，金属液中除存在横截面上的旋转离心流动外，还存在着纵向的大环流，但二者速度不同，前者比后者高出一个数量级：金属液表面的磁感应强度风与电流频率成反比，与输入的电压成正比：金属液所受电磁力的最大值与磁感应强度B0的平方成正比，与频率的n次方成反比，其中1／2≤n≤3／2：n与金属液的电阻率有关，电阻率越小则n越小：对于纯铝n为1／2，对于纯锡和纯铅n为1；金属液的转速与磁感应强度R0成正比，与金属液密度的平方根成反比。     

Arc force and shapes with high-frequency pulsed-arc welding

Arc plasma is the source of heat and force for molten pool with dynamics fluid and convections. The arc force is studied with shape surveillance and force measurement during pulsed welding process. The results indicated that the average force increased by 42–57%. And the pressures were 322?Pa (conventional welding), 409 Pa and 517?Pa (pulsed welding). Imaging process is carried out for energy distribution analysis. The core region ratio increased up to 51%, compared with 43.7% by conventional welding. The arc pressure derivation was produced and the error was discussed. The increased arc force happens with arc constriction during pulsed welding. It is supposed to create surface depression of molten pool, enhance the fluidity and improve the heat convections.     

Numerical analysis of flow-thermal coupling in micro-plasma welding pool of thin-wall part

The formed characteristics of thin-wall part is studied when it is in the process of MPAW. Finite element method is used to simulate the temperature field coupling flow field in the welding of thin-wall part. It is found that because of the obvious effect of heat accumulation in cross-section,where the distribution of temperature field area presents trapezoidal inverted approximately in the molten pool and the non-molten pool area presents level. The surface tension,the electromagnetic force and buoyancy are considered for analyzing the effects on the fluid flow of welding-pool. It can be obtained that the surface tension is the main driving force in the welding pool,which is far greater than electromagnetic force and buoyancy.     

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.     

空心钨极同轴填丝焊接丝弧交互作用机制

空心钨极同轴填丝焊接焊丝与电弧(丝-弧)交互过程是决定焊接质量的关键.首先利用高速摄像观察分析了空心钨极电弧与实心钨极电弧形态,及其对焊缝成形特征的影响规律,然后构建了熔丝过程受力模型,系统分析了同轴填丝焊接过程中熔滴形成及过渡过程动力学特征.结果表明,空心钨极电弧表面辐照区域大于实心钨极,在大电流工艺条件下焊缝成形稳定;熔滴形成阶段,焊丝末端熔滴处于静力平衡状态,在较大表面张力作用下,无法自发从焊丝末端直接过渡进入熔池;熔滴过渡阶段,部分电流从焊丝流过,产生电磁收缩力,引起焊丝与熔池之间的熔滴摆动.