GMAW熔滴过渡数值模拟的研究进展

熔化极气体保护焊熔滴过渡数值模拟作为焊接学科的前沿领域和研究的热点之一，近年来已经取得了较大的进展。本文在综述了熔化极气体保护焊熔滴过渡数值模拟理论发展的基础上，详细的分析了目前最为广泛用于熔滴过渡数值模拟的流体动力学理论建模的关键技术，并展望了未来的发展趋势。     

GMAW熔滴过渡数值模拟的研究进展

熔化极气体保护焊熔滴过渡数值模拟作为焊接学科的前沿领域和研究的热点之一,近年来已经取得了较大的进展。本文在综述了熔化极气体保护焊熔滴过渡数值模拟理论发展的基础上,详细的分析了目前最为广泛用于熔滴过渡数值模拟的流体动力学理论建模的关键技术,并展望了未来的发展趋势。     

GMAW熔滴过渡行为数值分析及试验验证

基于FLUENT软件,考虑热分析,选用VOF模型,针对纯氩气保护直流熔化极气体保护焊(GMAW)熔滴过渡行为进行数值模拟,分析熔滴过渡不同时刻对应电弧温度、电势、热通量等物理量的变化规律. 结果表明,电弧最高温度呈现周期性变化趋势;电势分布随着熔滴行为变化而变化,而在熔滴脱落之后,电流不再流经脱落熔滴. 热通量最大值出现在中心部位,沿径向距离减小. 为验证模拟结果准确性,开展焊接试验,利用LabVIEW信号采集系统采集焊接电流和电弧电压波形,借助高速摄像设备拍摄实时电弧形态和熔滴过渡过程,从而有效、定量验证模拟结果准确性. 比较结果表明模拟结果同试验结果二者吻合良好,文中熔滴过渡数学模型是合理的.     

GMAW熔滴过渡过程稳定性自相关分析

检测了熔化极气体保护焊(GMAW)中焊接电流和电弧电压大小等参数特征,利用数字信号分析与处理中的时域自相关特性原理,分析GMAW熔滴过渡过程的稳定性与参数关系,判断焊接电流和电压是否具有周期性.阐述焊接电弧系统中,电流自身、电压自身及电流和电压相互的变化存在相互关联,并对焊接电流和电压信号进行自相关分析,获得信号时域的周期和方差等特征信息,直观地反映出弧焊过程与熔滴过渡过程的稳定性.     

基于脉冲激光的GMAW熔滴过渡解耦控制

实现电流解耦的熔滴过渡,在足够低的焊接电流下仍能获得稳定的细颗粒或射滴过渡,将从根本上提升熔化极气体保护焊（GMAW）过程的稳定性和焊接质量.为此,文中提出了一种采用激光脉冲照射熔滴,利用蒸发反冲力驱动熔滴过渡的新方法.首先试验观测了光致蒸发现象,初步分析了激光蒸发反冲力的特征.进而观测分析了小电流下脉冲激光控制熔滴过渡的效果.结果表明,采用激光脉冲照射能够实现熔滴过渡与焊接电流的完全解耦,熔滴过渡随激光脉冲表现为一脉一滴的形式,熔滴飞行轨迹沿激光入射方向有一定偏转,但对焊缝成形无不良影响.     

基于频率域运算的脉冲GMAW熔滴图像的线性处理

通过微距高速摄影系统对脉冲GMAW过程进行拍摄,熔滴图像存在较多的焊接烟尘以及电弧光导致的环境噪声和衍射条纹,对进一步通过图像算法定量计算熔滴尺寸、缩颈变化等特征参数造成困难.因此在保证图像处理前后性质不变的条件下,采用频率域运算方式,设计了针对脉冲GMAW熔滴图像的衰减低通滤波器、高斯低通滤波器,并结合灰度映射和拉普拉斯叠加算法建立起了熔滴图像线性处理结构.结果表明,频率域的运算与线性处理结构的结合能够获得与噪声背景相分离的脉冲GMAW熔滴形态清晰图像,同时保证了图像的真实有效,为高精度定量分析脉冲GMAW过程提供了可能.     

摆动电弧窄间隙GMAW熔滴过渡规律

研究摆动电弧窄间隙焊接中的熔滴过渡规律是深入理解该焊接方法的重要基础,由于受到电弧摆动、窄间隙坡口的影响,摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡比常规焊接更加复杂.采用高速摄像系统及焊接电信号采集系统成功地对摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡过程进行观测研究,揭示了摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡特性,分析了摆动参数、焊接参数对熔滴过渡的影响.结果表明,由于焊丝在坡口之间的摆动改变了焊丝与侧壁之间的距离,引起了焊接电弧长度的变化,促使焊接电流发生了波动,从而导致了摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡的规律性变化.     

基于冶金反应的GMAW熔滴过渡形态表征

综述了涉及焊接冶金反应的GMAW熔滴过渡形态特征。结果表明,焊丝电弧中发生的主要冶金反应对作用于熔滴上的主导力产生不同的影响。焊丝冶金反应与熔滴过渡形态间的关系,取决于熔滴过渡的力学条件,当冶金反应促使F分离力增大或促使F保持力减小时,熔滴过渡形态得以改善。对于药芯焊丝,TiO2,Si-Fe,Al2O3和SiO2添加物,以及增大焊接电流、增大保护气中的Ar含量、增大药芯填充率,能改善熔滴过渡形态;对于实心焊丝,无镀铜焊丝的涂层成分,以及增大焊接电流、减小焊丝直径、增大保护气中的Ar含量、采用直流反极性,能改善熔滴过渡形态。     

脉冲频率对TCGMAW熔滴过渡行为的影响

采用高速摄影与电信号小波分析研究了双丝共熔池熔化极气体保护焊（TCG-MAW）脉冲频率变化对焊接过程熔滴过渡方式和频率及焊缝成形的影响.结果表明,在文中焊接工艺参数下,脉冲频率较高（140 Hz）时,前丝熔滴过渡方式为射流过渡,后丝为射滴过渡;脉冲频率较低（40 Hz）时,前丝、后丝熔滴过渡方式均为射滴过渡;脉冲频率中等（60～100 Hz）时,前丝、后丝熔滴过渡方式均为射流过渡;脉冲频率在40～140 Hz变化时,前丝、后丝熔滴过渡基本上表现为一脉一滴形式.当脉冲频率大约在60～100 Hz变化时,焊缝成形较好.     

高铬镍奥氏体焊丝Ar/He/CO2保护脉冲GMAW电弧形态与熔滴过渡

为解决高强度Cr-Ni奥氏体焊丝脉冲GMAW电弧挺度不足,熔滴过渡不稳定的问题,文中采用高速摄像手段对Ar/He/CO₂不同组合气体保护下的脉冲GMAW电弧形态与熔滴过渡进行了对比研究,以期优化混合气体成分.结果表明,氩气弧熔滴过渡容易,但电弧漂移、挺度差;氦气和CO₂气体的加入可提高电弧挺度、增大电弧能量、熔滴过渡变为1脉多滴,先一个大滴,接着几个小滴;氦气的比例越大,第一个熔滴的尺寸越大;CO₂气体可克服阴极斑点漂移,但比例不能超过5%;40% Ar+58% He+2% CO₂三元组合的电弧挺度大,熔滴过渡均匀平稳,是奥氏体焊丝脉冲GMAW厚板焊接较理想的混合气体组分.     

GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟

采用双椭球体热源分布模式,把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,建立了运动电弧下GMAW焊接热过程的数值分析模型.利用Visual For-tran编写数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接熔池形状和熔池自由表面变形的动态演变,并进行了对比试验.基于数值模拟和工艺试验结果,可以看出达到宏观准稳态时计算所得的焊缝形状尺寸与试验结果基本吻合,因此验证了所建模型和采用的计算方法是正确、可靠的.     

脉冲熔化极氩弧焊熔滴过渡过程多信息融合

利用同步采集系统采集了固定脉冲GMAW熔滴过渡过程的电信息和光谱信息,准同步拍摄了电弧的图像信息。在反映熔滴过渡特征方面,电信息(电弧电压和电流)、光谱信息和图像信息通过时间为主线融合在一起存在明显的对应关系。其中,光谱信息变化最为显,信号强度变化占总强度的47．5％。电弧光谱信息明显反映了GMAW熔滴过渡期间焊丝端头缩颈、熔滴长大和分离等过程。DFT(Discrete fourier transform)分析进一步证明,在反映熔滴过渡频率特征方面,电信息和光谱信息完全对应。     

双电弧共熔池气保焊技术特点与发展现状

介绍双电弧共熔池气保焊技术的优点、系统组成、国内外发展的现状以及存在的技术难题，提出了采用交替脉冲解决磁偏吹现象的方案。     

电弧电压变化量分析熔滴过渡特征的研究

利用焊接过程中熔滴还没有发生短路瞬间的电弧电压变化量△U，可以区分药芯焊丝气体保护焊(FCAW)熔滴过渡特征．绘制了一定焊接条件下的金属过渡模式图，为最终确定FCAW的最佳工艺参数(焊接电流、电弧电压等)提供指导，可实施长时间在践监控熔滴过渡过程。     

基于示踪粒子的摆动TIG填丝焊熔池行为数值分析

为了使TIG焊熔池液态金属分布更加均匀,在普通TIG填丝焊的基础上,研究焊枪摆动对熔池行为的影响.建立了焊枪摆动的TIG填丝焊的数学模型,并利用示踪粒子的方法,对比普通TIG填丝焊和摆动TIG填丝焊的熔池温度场、流场及熔滴质量分布.结果表明,普通TIG填丝焊与摆动TIG填丝焊熔池轮廓基本一样,但摆动TIG焊通过摆动电弧,导致熔池内流场行为发生了改变,进而影响了温度场的分布,使熔池内温度分布更加均匀;示踪粒子分布表明,在TIG填丝焊中,摆动TIG填丝焊能够使熔滴金属更加均匀的分布在熔池中.     

外加磁场下GMAW熔池电磁力的有限元计算

针对外加各种磁场作用下的GMAW堆焊过程,开发了基于电弧简化模型的熔池电磁力工程化有限元计算方法. 利用此方法,系统研究了无外加磁场、外加纵向磁场和横向磁场三种工况下熔池内电磁力的分布情况,并预测了电磁力对熔池对流的影响. 结果表明,焊接自有磁场驱动了熔池中心收缩下沉流;外加纵向磁场导致周向搅拌流,形成电磁搅拌细化晶粒;外加横向磁场可以驱动熔池流动演变为"单涡"对流状态,有利于熔池接纳熔滴减少飞溅. 基于模拟结果的预测与试验结果吻合,因此验证了所用计算方法的正确性.     

空心钨极TIG焊电弧特性数值模拟

旁路等离子-MIG复合工艺是通过等离子焊枪的导电铜嘴与焊丝之间形成的分流弧、焊丝与母材之间的主路弧同轴耦合进行焊接的新型工艺,不但保持了MIG焊的高效性,还可以通过对旁路电流的调节实现焊接过程能量的精确控制. 为了深入了解该工艺条件下复合电弧与耦合熔池的物理作用机制,通过建立流体动力学瞬态计算模型,并基于合理的试验验证,对旁路电流加载前后气液两相内部及界面处的传热传质行为进行了对比研究. 结果表明,相比未加载旁路电流时,电弧的最高温度下降约1 000 K,同时电弧与耦合熔池交界处的有效热通量整体下降;熔池内部液态金属回流速度明显下降,因此导致熔深和熔宽尺寸均有所减少;复合电弧和耦合熔池的最大电磁力方向没有改变,但数值均有所降低.     

环境压力对高压干法GMAW熔滴过渡影响分析

采用红外激光作为背光源,应用高速摄像系统对高压干法GMAW熔滴过渡进行了研究.通过0.4 MPa以内氩气环境的试验发现,环境压力超过临界压力后熔滴过渡形式会发生转变.随着环境压力的增加,在小电流情况下,过渡形式先由大滴过渡转变为短路过渡,进而转变为排斥过渡;在焊接电流较大情况下,熔滴依次呈现射流过渡、短路与射流混合过渡、排斥过渡.并从熔滴受力的角度分析了压力环境熔滴过渡形式转变机理.指出产生排斥过渡的原因是在环境压力的作用下电弧与弧根收缩,改变了熔滴的受力状态而产生的.     

Study on heat source model in twin-arc GMAW with a common weld pool

The heat input from arcs to weld pool in twin-arc gas metal arc welding (GMAW) with a common weld pool is investigated by high-speed photography. The characteristics of arc shapes and droplet transfer are studied and then the models for heat flux distribution on top surface of weld pool and enthalpy distribution of metal droplets transferred into weld pool are established. By using the model, 3-D geometries of weld pools in twin-arc GMAW with a common weld pool are predicted. Corresponding welding experiments on mild steel plates are carried out and the results indicate that the predicted shape of weld bead on cross section shows good agreement with measured one.     

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。