TIG焊接熔池表面变形对流场与热场的影响

利用流体力学理论和变分法原理,根据熔池本身重力、电弧压力和表面张力之间的动态平衡,推导出了 TIG 焊接熔池表面变形的计算公式。建立了熔池表面存在变形的流场与热场的数学模型。采用 SIMPLER 方法对不锈钢试件焊接熔池内的流场与热场进行了数值分析。焊接工艺试验表明,该模型计算的熔池成形与实验值吻合良好。     

等离子弧焊接熔池和小孔形成过程数值分析

目的 研究等离子弧焊接穿孔过程中熔池内部的金属流动情况和小孔动态变化过程。方法 通过“传热-熔池流动-小孔”之间的相互耦合关系,建立了等离子弧焊接穿孔过程的数值分析模型,通过VOF方法追踪了小孔界面,采用FLOW-3D软件模拟了等离子弧焊接熔池和小孔的形成过程,定量计算了等离子弧焊接温度场、熔池流场及小孔形状;分析了等离子弧焊接熔池和小孔行为;并通过等离子弧焊接实验数据验证了模拟结果。结果 当焊接时间为0~1.0 s时,小孔深度曲线与熔深曲线几乎相同,小孔底部紧贴熔池底部;在2.8 s以后,小孔深度曲线与熔深曲线有一定距离,小孔深度曲线在一定范围内波动,等离子弧焊接电弧挖掘作用到达极限,电弧压力与其他力达到平衡状态。模拟的焊缝熔深为8.04 mm、熔宽为13.20 mm,实验测得的焊缝熔深为8.00 mm、熔宽为13.42 mm。结论 构建的随小孔动态变化的曲面热源模型和电弧压力模型可以描述等离子弧焊接过程中的电弧热-力分布;模拟出了等离子弧焊接熔池和小孔动态演变过程;模拟得到的等离子弧焊接焊缝形貌与实验测得的焊缝形貌基本吻合。     

核电站控制棒驱动机构Canopy焊缝焊接温度场和应力-应变场模拟

目的 研究机加工和拉拔2种成形方式下得到的填充环对Canopy焊缝的影响,获取焊接焊缝成形、焊接残余应力和变形的相关数据,以指导Canopy焊缝焊接工艺。方法 采用数值模拟的方法,建立Canopy焊缝焊接数值分析模型,模拟焊接温度场、焊接残余应力和焊接残余变形。结果 拉拔成形环焊接熔池高度为9 mm,机加工成形环焊接熔池高度为8.3 mm;机加工成形环焊接最大残余应力为255.6 MPa,而拉拔成形环焊接最大残余应力为277.8 MPa,均出现在管座紧贴焊缝的位置;机加工成形环焊接残余变形为0.19 mm,拉拔成形环焊接残余变形为0.186 mm,最大残余变形均出现在焊接起始位置附近,在焊缝与管座交接的位置。结论 熔池形貌直接影响了热影响区域的大小,拉拔Y型环焊接熔池高度更大,焊接的热影响区域更大;拉拔Y型环焊接残余应力略大于机加工Y型环焊接残余应力;机加工成形环和拉拔成形环焊接残余变形相近。     

焊剂片约束电弧焊接三明治板熔滴过渡与熔池波动研究

针对焊剂片约束电弧(FBCA)焊接高强钢三明治板熔池研究难点,采用侧边贴敷耐高温石英玻璃片方法,采集焊接动态过程信息,实现熔池边缘曲线的提取与特征参数的计算,研究不同参数下熔滴过渡模式及熔池边缘曲线波动情况,分析熔池振荡角与焊接稳定性及焊缝成形之间的关系。结果表明：不同参数下FBCA焊接存在短路过渡、粗滴过渡、排斥过渡、细滴过渡、射滴过渡、弧桥并存过渡六种过渡方式,对芯板内熔池边缘波动的影响依次减弱;随着熔池振荡角变化,熔池边缘曲线形状存在混合U形、深U形及浅U形,电弧燃烧稳定性依次增强;当焊接处于弧桥并存过渡模式、熔池边缘曲线为浅U形时,电弧稳定燃烧,电弧力作用均匀,焊接过程稳定,焊缝质量最好。     

电子束焊接熔池周期性波动的数值模拟

为了更深入地探究电子束焊接过程中的机理问题,利用数值软件Fluent,对10mm厚的2219铝合金电子束焊接熔池进行三维瞬态模拟。分析电子束焊接进入准稳态后熔池中涡流的变化规律和产生原因,并结合电子束与匙孔壁面相互作用进行讨论。结果表明:电子束焊接进入准稳态后熔池呈周期性波动;根据液态金属流动情况可将焊接熔池分为3个区域,区域Ⅰ中的液态金属维持了熔池体积的稳定,区域Ⅱ中的涡流起到扩大熔池表面的作用,区域Ⅲ中的涡流促使匙孔坍塌;通过对电子束与匙孔壁面的耦合分析可知,电子束在匙孔壁面上并不是均匀分布的,这造成了匙孔底部具有一定的滞后性。     

铝合金方波交流等离子弧立焊穿孔熔池动态稳定性研究

采用工频方波交流电源和相应自制设备研究了焊接工艺参数对穿孔熔池动态稳定性的影响规律。结果表明:间隙对穿孔熔池动态稳定存在影响较大。焊接电流一定范围内变化对穿孔熔池动态稳定性影响较小。虽然离子气流量的变化对穿孔熔池的孔径影响较小,但对熔池金属的流动性和焊缝成形影响较大。正确送丝可提高穿孔熔池动态稳定性。上述规律为铝台金方波交流等离子弧立焊过程焊接质量控制提供了依据。     

Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接对铝合金焊缝组织和性能的影响

目的 提高铝合金的焊缝抗拉强度,解决铝合金焊接过程中的裂纹缺陷。方法 采用脉冲Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接铝合金,先用Nd:YAG激光形成焊接熔池,然后用半导体激光对熔池进行加热保温,获得无裂纹的焊缝,并对焊缝进行抗拉强度测试。结果 与单独的Nd:YAG激光焊接相比,Nd:YAG激光与半导体激光复合焊接的铝合金焊缝抗拉强度提高了50%,达到193MPa,为母材抗拉强度的90%。结论 2束激光的结合延长了熔池的冷却凝固时间,从而有效避免了热裂纹,减少了焊接缺陷,提高了焊接质量。     

固定电弧脉冲TIG焊接熔池流体流动与传热模型

在浮力、电磁力和表面张力梯度共同作用下对固定电弧脉冲ＴＩＧ焊接熔池中的流体流动与传热的动态过程建立了数学模型。在控制方程组强烈耦合的情况下，将处理导热问题边界条件的附加源项法应用于处理动量边界条件，同时采用交替方向隐式迭代法及双块修正技术，使求解非稳态控制方程组的迭代收敛速度大为提高。计算结果展示了脉冲ＴＩＧ焊接过程中，随着焊接电流的周期性变化，熔池流场与热场的周期性变化规律以及熔池形成的动态发展过程。根据该模型得出的计算结果与试验测定结果吻合程度良好。     

非均匀温度场Fe-0.06%C合金焊接接头凝固过程模拟分析

利用元胞自动机和有限差分(CA-FD)法,采用宏-微观两种尺度,将宏观温度场与微观枝晶生长过程耦合在一起,再现了Fe-0.06%C二元合金焊接熔池的凝固过程.同时,探讨了边界散热速率对焊接熔池中枝晶生长形貌及晶粒尺寸的影响;分析了形核基底数与枝晶生长间的关系;并用实验对模拟结果进行了验证.结果表明,在熔池凝固过程中,温度梯度沿散热边界向绝热边界方向不断减小,等温线弧度不断增大;熔池散热边界附近的液相中溶质浓度远远高于绝热边附近和模拟区域中心的液相溶质浓度;模拟区域内的温度梯度随着边界散热速率的增大而升高.此外,随着形核基底的增加,柱状晶数量基本不变;而等轴晶数量不断增多,分布范围逐渐扩大,但尺寸有所减小.模拟结果反映了焊接熔池的凝固过程,并与实验结果吻合,为实际焊接工艺的选取提供了一定的参考.     

图像处理在自动焊接中的应用和展望

图像处理技术在自动焊接领域的应用已引起国内外学者的广泛重视。通过图像传感技术获取焊接熔池直观丰富的图像信息，使用高效的图像处理算法，提取焊接熔池的特征信息，用以实现自动焊接过程质量实时传感与控制。本文综合论述了图像处理技术在自动焊接中的应用原理、数字图像的采集方法、数字图像的特征信息定义、广义数字图像处理技术及其对自动化焊接理论研究和实践应用的推动作用。通过总结图像处理技术的研究和应用现状，综合分析了图像处理技术在现代焊接技术中发展和应用的前景。     

含焊接残余应力薄圆板结构自由振动近似解

研究焊接残余应力对薄圆板结构振动特性的影响,解决薄圆板结构振动中存在非均匀分布预应力问题。根据含预应力结构的应变-应力方程,建立含预应力薄圆板结构的运动控制方程。基于Rayleigh-Ritz法构造Lagrange能量泛函方程。将预应力和位移试函数展开成三角级数形式,对含预应力薄圆板结构的自由振动问题进行求解。以周边简支边界薄圆板结构为例,对比焊接残余应力的不同分布形式对薄圆板结构固有频率及振型的影响。数值计算结果验证了所提方法的有效性,可应用于解决任意分布预应力问题。     

Neural Network Modeling and System Simulating for the Dynamic Process of Varied Gap Pulsed GTAW with Wire Filler

As the base of the research work on the weld shape control during pulsed gas tungsten arc welding (GTAW) with wire filler, this paper addressed the modeling of the dynamic welding process. Topside length Lt, maximum width Wt and half-length ratio Rh1 were selected to depict topside weld pool shape, and were measured on-line by vision sensing. A dynamic neural network model was constructed to predict the usually unmeasured backside width and topside height of the weld through topside shape parameters and welding parameters. The inputs of the model were the welding parameters (peak current, pulse duty ratio, welding speed, filler rate), the joint gap, the topside pool shape parameters (Lt, Wt, and Rh1), and their history values at two former pulse, a total of 24 numbers. The validating experiment results proved that the artificial neural network (ANN) model had high precision and could be used in process control. At last, with the developed dynamic model, steady and dynamic behavior was analyzed by simulation experiments, which discovered the variation rules of weld pool shape parameters under different welding parameters, and further knew well the characteristic of the welding process.     

焊枪倾角对熔池振荡的影响

本文利用焊枪倾角的办法,解决了快速焊接时,熔振荡信号的可靠提取问题。焊枪前倾可以有效的抑制熔池后拖现象。为了保证熔透熔池可靠的振荡,焊枪倾角θ与焊接速度 V_w 之间有一定的匹配区间,在此区间内焊枪倾角θ的变化,对熔池振荡特性没有影响,对接焊缝实验时发现,装配间隙和错边对焊接熔池振荡特性没有明显的影响。     

镁合金冷金属过渡熔池动态行为数值模拟

为研究冷金属过渡焊(CMT)的周期性能量输入及焊丝抽送行为对镁合金熔池动态行为的影响,在FLUENT软件中建立了焊丝-熔滴-熔池多相流数值分析模型。提出一种在流体体积法(VOF)多相流计算域中划分熔滴与熔池区域并判断其接触状态的方法,结合动网格技术实现自动响应的焊丝抽送,在熔池区域加载间歇性的热源、电弧力,采用镁合金CMT堆焊实验所得参数进行数值模拟。结果表明,在CMT能量输入周期的短路阶段,由于焊丝的回抽,熔池被向上提拉并在焊丝端部形成了液桥,内部液态金属在马兰戈尼力的作用下,由边缘流向中间,由下方流向上方,焊丝持续回抽至脱离熔池后,熔池受到液桥断裂的反作用力,液态金属快速向后方流动使熔池形状发生改变,可知焊丝回抽与马兰戈尼力是熔池动态行为的主导作用力,此外,焊缝熔深的模拟结果为0.53 mm,与实际成形焊缝的熔深存在3.47 %的误差,验证了模型的有效性。     

Numerical simulation of variable polarity vertical-up plasma arc welding process

Three-dimensional transient governing equations were developed based on conservation laws of energy, momentum and mass. These equations described physical phenomena of convection in weld pool and heat transfer in workpiece during variable polarity vertical-up plasma arc welding process. Boundary conditions for the developed governing equations were given. Welding energy input for variable polarity vertical-up plasma arc welding process was quantitatively expressed. Free surface deformation of the keyhole molten pool was coupled into calculation. Effect of wire filling on the geometry of molten pool and weld reinforcement was considered in the simulation. Correlations of temperature and thermophysical properties for aluminum alloy 2219 were quantitatively established. A control volume based finite difference method was used to solve the discrete governing equations. Moreover, dynamic evolutions of geometrical profile, dimension and fluid flow for the molten pool and keyhole were simulated through the developed computational routines, which achieved transient solution of fluid flow field coupling with thermophysical properties, temperature field and weld pool free surface deformation. Besides, the effect of the workpiece thickness on the moments of keyhole formation and stable keyhole establishment was analyzed, and thermal cycles for the main welding stage were calculated. In addition, experiments via variable polarity vertical-up plasma arc welding technique were conducted, and the established models were experimentally verified through weld cross-section profiles.     

焊接熔池中元素分布规律及其影响因素的研究进展

焊接过程中焊接熔池内部的流体流动传热过程对熔池的形状、气体及夹杂物的吸收、聚集和逸出等影响很大,尤其影响元素在熔池中的分布。研究发现,熔池内流体主要受表面张力、浮力和电磁力的作用,其中表面张力对熔池形状起主导作用;焊接热输入、功率、焊接速度均对焊接熔池的形成有不同程度的影响。在焊接过程中,不同材料在交界处会发生元素互扩散,不同的元素扩散系数相差较大,而同种元素在不同扩散深度处的扩散系数却相差不大。由于焊缝中元素分布是否均匀直接关系到焊接接头的质量,因此元素在熔池熔化过程中具体的扩散形式以及在熔池凝固后元素的偏析情况是未来的研究热点。     

等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊熔池流体行为研究

目的 研究等离子+缆式焊丝脉冲GMAW复合焊过程的熔池流体行为.方法 综合考虑传热学以及流体动力学,建立Fluent数值分析模型.使用双椭球–锥体热源模型代表等离子弧焊传热模型,用双椭球热源表征GMAW电弧传热并考虑熔滴传热,同时考虑熔池受到的电磁力、浮力、表面张力、等离子流力等作用力.基于Fluent软件,对复合焊过...     

铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接接头组织性能研究

目的探究超声振动对铝合金搅拌摩擦焊的作用效果。方法分别采用普通搅拌摩擦焊和超声辅助搅拌摩擦焊方法,对7075铝合金进行焊接试验,并对焊接接头的微观组织、力学性能、断口形貌进行分析。结果普通搅拌摩擦焊焊缝中生成了隧道型缺陷,施加超声振动后,缺陷消失,形成了无缺陷的良好接头,且与普通搅拌摩擦焊相比,超声辅助搅拌摩擦焊焊缝热影响区晶粒长大程度较小,焊核晶粒细化。接头强度明显提高,达到铝合金母材强度的71.5%,接头断裂模式为韧窝和准解理的混合断裂形式。结论超声振动促进了塑性金属的流动,能有效抑制孔洞、隧道型缺陷等的形成,同时超声振动能在提升金属塑性的同时,降低焊缝的热输入。