脉冲MIG焊熔池行为的数值模拟研究

基于流体力学、热力学及电磁学等理论建立二维脉冲MIG焊熔池数学模型，在Fluent软件中通过用户自定义程序(UDF)添加模型所需的热源、动量源项以及定义材料的物性参数，对焊接过程进行数值模拟，分析各驱动力对脉冲MIG焊熔池行为的影响以及熔池在脉冲周期内的变化规律。模拟结果表明，在焊接过程中马兰戈尼力对熔池影响最大，其次为电弧压力，然后为电磁力，浮力影响相对较小。在各驱动力复合作用时，熔池表层的熔池形态以马兰戈尼力为主导，熔池内部以电磁力为主要作用力，造成熔池内形成了两种不同方向的环流。熔滴冲击力主要作用于熔池表层，对熔池内部影响较小。脉冲MIG焊高速摄像试验表明，实际熔池形态与模拟结果吻合良好，验证了熔池模型的合理性。     

焊接速度对电弧增材熔池流动及焊道形貌影响的数值模拟研究

焊接速度对电弧增材成形过程中传热传质以及焊道成形有重要影响，为探究其影响机理，建立TIG电弧增材成形过程的三维瞬态数值模型，采用VOF方法追踪熔池自由界面，研究不同焊接速度下单道熔积成形过程中的传热及熔池流态，并分析焊接速度对单道焊道形貌的影响。数值模拟结果表明，随着焊接速度减小，熔池的热积累增强，体积增大，熔池表面峰值温度提高，弧坑深度也加深；同时，在电磁力和熔池表面力的共同作用下，熔池表面流速峰值随焊接速度减小而减小，熔池内部流速增大，对流更充分。此外，随着焊接速度减小，成形焊道的宽度和高度均有不同程度的增加。相同条件下的试验与数值模拟的焊道轮廓对比验证了数值模拟结果的有效性，研究结论可为电弧增材技术的工艺参数调控提供理论支撑和依据。     

焊接熔池流场热场数值模拟的研究现状及应用前景

1 焊接熔池流场热场数值模拟研究的意义 电弧焊熔池中的流体流动及其传热过程对焊接质量有重要影响,这一点可以从以下几方面来看: (1)焊接熔池中的液体金属不是静止不动,而是激烈运动着的。这种运动极大地影响着熔池中热量和质量的传输,从而决定了熔池一系列物理化学反应进行的程度。熔池的形状、结晶、气体和夹杂物的吸收、聚集、逸出,化学成分的均匀性以及化学反应动力学等与     

熔焊热过程与熔池行为数值模拟的研究进展

熔焊是目前机械制造业中应用最为广泛的材料连接技术。熔焊过程中的传热与熔池流动行为对于焊缝成形、接头微观组织与服役性能等起着决定性作用。准确地分析和计算熔焊热过程与熔池形态,对于焊接冶金分析、应力变形分析、过程控制及工艺优化等都具有十分重要的意义,也是使焊接工艺从"定性"走向"定量"分析、从"经验"走向"科学"的重要途径。对焊接电弧物理、熔滴过渡、熔池形态、高速焊接熔池传热与流动、等离子弧焊和激光焊接的小孔与熔池动态行为、激光-电弧复合热源焊接热过程的数值模拟研究现状与存在问题进行了评述,讨论了上述前沿领域的研究方向与发展趋势,旨在为实现熔焊工艺优化和过程控制提供理论依据。     

双丝电弧焊熔滴过渡形式对熔池影响模拟研究

双丝电弧焊是一种满足了焊缝质量、焊接效率的高效焊接方法,得到了广泛的应用.采用数值模拟方法,建立双丝电弧焊热源模型,考虑到熔滴在不同的过渡形式下以不同的动量、热量滴入熔池,建立了熔滴热源、动量模型,对焊接过程中影响熔池流动的驱动力进行加载,并且考虑了熔池边界能量的辐射和对流.对熔滴不同过渡形式下的熔池热场与流场进行模拟分析,熔池的流场和温度场.结果表明:熔滴喷射过渡可以得到更大的熔深和熔宽,以及熔宽比,大的深宽比有利于形成高质量的焊缝,提高焊接质量.细滴粒过渡熔池可以得到更高的焊接温度,熔池长度相对较短,热量较为集中,在熔池深度和宽度方向上金属流动更剧烈,有利于将气体以及杂质带至熔池表面并排出.     

脉冲激光焊接Hastelloy C-276合金的熔池流动传热特性分析

基于流体动力学方程和传热方程建立了三维瞬态模型,用于研究脉冲激光焊接0.5 mm厚Hastelloy薄板时熔池的流动行为及传热特性.应用Fluent软件,采用有限容积法(FVM)求解控制方程,用SIMPLE算法处理速度与压力的耦合.引入Pe来衡量焊接熔池中对流传热与传导传热的相对强弱,并以此分析焊接熔池的传热特性.结果表明:沿焊接方向,焊接熔池的流动速度随着离熔池中心距离的增加先增加后减小;在给定试验条件下,熔池流动速度在离熔池中心0.2 mm左右时出现最大值,且沿焊接方向前方稍大于后方,而后迅速减小为零;焊接熔池中对流的存在使得焊接熔池熔深较小而熔宽较大;最终的焊接形貌由对流传热与传导传热相互作用而成.对焊缝形貌的数值模拟结果与实验结果进行了比较,计算结果与实验结果吻合较好.此模型可为脉冲激光焊接Hastelloy C-276薄板时熔池流体流动行为的分析提供理论依据.     

压力容器焊接基本现象模拟与仿真研究现状及展望

综述了近年来国内外在焊接基本现象模拟与仿真方面的研究现状及发展趋势,对焊接过程中的熔池流场、焊接温度场与力学场、焊接变形和残余应力、氢扩散分析、异种钢焊接接头碳迁移、特种焊接过程、焊接接头微观组织、焊接热影响区晶粒长大过程等的仿真模拟,以及焊接模拟计算机软件等进行了较全面的介绍和分析。     

基于非负矩阵分解的熔池图像识别方法

为探求视觉传感智能识别焊接缺陷技术，利用电荷耦合器件(CCD)相机采集了熔化极气体保护焊(GMAW)熔池图像，分析了不同工艺条件下熔池动态变化过程及所对应的焊接缺陷，提出利用非负矩阵分解法对熔池图像进行解析，得到熔池图像的特征矩阵。通过最小二乘法计算未知焊接过程测试图像在特征矩阵的投影值，给出了焊接缺陷的自动识别方法。研究结果表明，焊接质量和熔池稳定程度有关联，熔池紊乱表现为熔池轮廓波动、浮渣离散等特点，熔池稳定程度下降伴随着焊接质量的下降，以及焊缝出现缺陷。利用非负矩阵分解法得到的熔池图像特征矩阵，能够对原始图像进行整体性描述(如熔池轮廓)和局部性描述(如浮渣区域、电弧区域等),具有物理可解释性，可用于识别焊接缺陷。     

基于ANSYS钢结构的焊接温度场仿真分析

本文基于有限元法,利用ANSYS软件成功地模拟316L不锈钢动态焊接过程,基于ANSYS/Mechanical模块,实现了钢结构TIG焊接过程整体温度场的模拟;根据磁流体动力学和电磁学理论,基于ANSYS/Fluent模块建立焊接电弧模型模拟了焊接熔池的温度场和速度场.为提高计算精度,定义了随温度变化的材料热物理性能参数.模拟结果发现:电弧温度场呈典型的钟罩形分布,并且在弧柱附近呈现比较平缓的变化趋势,模拟结果与许多文献中描述的实验结果基本吻合,验证了该模拟的可靠性.     

铝合金TIG焊熔池图像的获取与处理

研究建立了适用于铝合金TIG焊接过程中焊接熔池图像传感系统,探索了获取铝合金熔池图像的条件,详细论述了图像传感系统与焊接电源特性之间的匹配关系。给出了图像传感系统中各个部分之间的空间位置关系。在多种不同的焊接规范下进行了大量的图像获取试验,获得了不同规范下清晰的铝合金熔池正反两面图像。分析了铝合金焊接熔池图像的特征,设计了相关中值滤波和基于统计理论的双期望值阈值方法以及小波变换等方法对焊接熔池图像进行处理,获得了铝合金焊接熔池图像的准确边缘,为焊接过程的智能控制打下基础。     

铝合金LB-VPPA复合焊接热源模型

激光-变极性等离子弧(Laser beam-variable polarity plasma arc,LB-VPPA)属双高能束新型复合焊接热源。采用Y4-S2型高速摄像检测了LB-VPPA复合焊接热源形态,在理论分析复合热源产热机理的基础上,利用Fortran语言对SYSWELD软件热源模型进行二次开发,建立能够实现正、反极性循环加载的LB-VPPA复合焊接热源模型。经与实际焊接熔池形状对比研究发现,熔池上部采用双椭球体热源,下部采用三维锥体热源,同时在小孔根部植入圆柱体热源的组合式热源模型与实际LB-VPPA复合焊接热源吻合。从模拟6 mm厚7A52铝合金板的VPPA焊和LB-VPPA复合焊接温度场分布结果发现,LB-VPPA复合焊能量更为集中,可以在平焊位置下实现穿孔型焊接。经实际焊接工艺试验验证了上述模拟结果的准确性。因此建立精确的LB-VPPA复合焊接热源模型对开展厚板铝合金LB-VPPA复合高效焊接提供强有力的理论支持。     

焊接过程数值模拟热源模型的研究进展

焊接数值模拟是当今材料加工领域的一个研究热点,并得到了越来越广泛的应用,本文介绍了焊接过程数值模拟热源加载模式的研究进展。高斯分布函数、半球能量密度分布函数、椭球、双椭球能量密度分布函数常应用在焊接过程数值模拟中,但计算量大,为了简化计算,开始采用分段移动高斯热源模型,高斯串热源,分段移动双椭球模型,在保证精度的情况下,提高了计算效率,应用生死单元技术可以处理复杂焊接模拟的热输入问题。     

镁合金激光-TIG复合热源焊接热源模型的建立及其数值模拟

根据YAG激光-TIG复合热源焊接的物理特征,建立了基于旋转高斯体热源与高斯面热源相结合的新型复合热源焊接模型。该模型的建立并非简单的热源叠加,而要考虑材料本身特性与复合焊接特点。在此基础上,针对镁合金AZ31B进行了复合热源焊接温度场、焊缝断面形状的数值模拟,提出了热源模型建立过程中的参数修改建议。与实测结果比较表明建立在双热源基础上的复合热源模型能准确地模拟镁合金的复合焊接过程;数值模拟结果验证了镁合金复合热源焊接高速、能量增强和热影响区窄的特点。     

激光深熔焊熔池形成过程的数值模拟

建立了用于激光深熔焊数值模拟的新型移动热源模型——圆锥体热源模型,用圆锥体热源模型模拟激光深熔焊时熔池的形成过程。结果显示圆锥体热源模型能够很好地描述能量在试件厚度和试件表面上的传导情况,准确地模拟了熔池的形成过程,得到了与实际焊接很相符的温度场分布。     

Estimation of heat source model parameters for twin-wire submerged arc welding

Heat source models are mathematical expressions that represent the generation term in the fundamental heat transfer equation. Investigators have successfully demonstrated different heat source models for single-wire welding. The present investigation estimates the double ellipsoidal heat source model parameters for twin-wire application. The heat source model parameters have been estimated for varying set of welding conditions. It has been found that the heat source model parameters for twin-wire welding are different from the single-wire welding. Moreover, the heat source model parameters also depend upon process parameters. Effects of welding current, electrode polarity and wire diameter on the size of heat source model have been presented. Flux consumption is also found to play a significant role in deciding the heat source model parameters.     

MODEL OF LASER-TIG HYBRID WELDING HEAT SOURCE

The welding mechanism of laser-TIG hybrid welding process is analyzed. With the variation of arc current, the welding process is divided into two patterns: deep-penetration welding and heat conductive welding. The heat flow model of hybrid welding is presented. As to deep-penetration welding, the heat source includes a surface heat flux and a volume heat flux. The heat source of heat conductive welding is composed of two Gaussian distribute surface heat sources. With this heat source model, a temperature field is calculated. The finite element code MARC is employed for this purpose. The calculation results show a good agreement with the experimental data.     

电子束焊接数值模拟中分段移动双椭球热源模型的建立

直接利用移动双椭球热源模型对电子束焊接过程进行数值模拟时,计算量庞大,计算效率低下。为此,在移动双椭球焊接热源模型的基础上,经分析推导得到了分段移动双椭球热源数学模型,并通过实际的物理试验和数值模拟对该模型进行了验证。结果表明,采用该热源模型可以在保持良好计算精度的基础上极大提高计算效率,使模拟实际复杂焊接构件的焊接过程成为可能。     

焊接数值模拟中分段移动热源模型的建立及应用

针对焊接过程数值模拟计算效率低的难题，通过分析焊接热源的特点,在移动高斯热源的基础上，提出分段移动热源模型。该模型从宏观上体现焊接热源移动的特点，减少描述热源逐点移动所需的计算量，从而大幅度提高计算效率。经验证，该方法可在保持精度的同时大幅度地缩短计算时间，从而使实际构件工艺的模拟、优化成为可行。利用该模型分析了不同切割顺序对桥式起重机腹板变形的影响，并进行了实际测量。实际测量结果与数值模拟结果相当吻合。     

辅助热源影响焊接残余应力的研究

采用曲壳单元热弹性有限元法,对ＬＳＮＤ静态低应力无变形焊接控制技术中辅助热源影响焊接残余应力的规律进行了数值模拟。计算结果表明,辅助热源如与焊接热源同时冷却则对焊接残余应力的影响不大,只有焊缝冷却至低温阶段后再冷却的辅助热源才有利于降低焊接残余应力。     

串热源模型及其在焊接数值模拟中的应用

通过分析焊接热源的特征要素 ,在高斯热源的基础上 ,根据输入热功率相当提出段热源模型 ,并与点热源结合 ,进一步提出更加灵活实用的串热源模型。经验证明 ,可在保持精度的同时大幅度地缩短计算时间 ,从而使实际构件工艺的模拟、优化成为可行。还利用该模型进行桥式起重机腹板切割工艺的模拟 ,得到与测量曲线很吻合的结果