熔透情况下三维TIG焊接熔池流场与热场的数值分析

建立了熔透情况下三维运动TIG焊接熔池中流体动力学状态及传热过程的数值分析模型。该模型考虑了试件全熔透情况下液态金属熔池表面的变形。采用贴体曲线坐标系处理熔池曲面,利用SIMPLER方法对不锈钢焊接试件熔池中的流场与热场进行了数值分析,并进行了焊接工艺试验对模型加以验证。结果表明,根据该模型得出的计算结果与实验值吻合情况良好。     

TIG焊接熔透熔池的数学模型

根据流体力学理论和变分法原理，推导出了熔透情况下ＴＩＧ焊接熔池上表面和下表面变形的方程，建立了ＴＩＧ焊接熔透熔池流场与热场的数值分析模型，采用非正交贴体曲线坐标系成功地处理了熔池表面的曲面边界，将熔透情况下熔池上下表面变形的计算，与熔池流场与热场的计算相结合，不仅较好地计算出熔池的流场与热场，同时求得了焊接熔池的上下表面变形。焊接工艺试验表明，根据该模型计算的焊缝成形与试验测试结果吻合程度良好。     

熔滴冲击力对MIG焊接熔池表面形状的影响

建立了熔化极惰性气体保护电弧焊焊接熔池流场与热场的数值分析模型，分析了熔滴冲击力对ＭＩＧ焊接熔池表面形状的影响规律，提出了计算焊缝余高部分和熔池几何参数的算法。定量分析了熔滴到达熔池表面时，其冲击力对焊缝和熔池形状的影响。低碳钢平板ＭＩＧ堆焊工艺试验结果表明，计算值与测试值吻合。     

Prediction and verification of melting front in GTA weld pool of full-penetration

A thermal conduction model is applied to speed up the numerical analysis of the temperature distribution and the weld pool geometry of full penetration in gas tungsten arc （GTA） welding. With considering both top and bottom flee surface deformation of full-penetrated weld pool, three-dimensional weld pool with melting front and solidification front is predicted. Welding experiments are conducted to measure the melting front curves at the top surface and the longitudinal section of the weld. It shows that the predicted and measured results are in good agreement.     

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.     

熔滴冲击下MIG焊接熔池的计算机模拟

本文结合ＭＩＧ焊过程熔滴与熔池作用的特点，建立了熔滴冲击下三维运动ＭＩＧ焊接熔池中流体流动及传热过程的数值分析模型。该模型全面地考虑了熔滴过渡带入熔池的热量、动量和熔池产生的表面变形，成功地模拟了ＭＩＧ焊接熔池流场、热场及表面变形     

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.     

脉冲电流作用下TIG焊接熔池行为的数值模拟

建立了脉冲焊接熔池行为的数值分析模型,分析了脉冲电流对ＴＩＧ焊接熔池流场,热场及熔池形状的影响规律。计算结果表明：熔池体积对电流的脉冲作用较敏感;脉冲ＴＩＧ焊接熔池内流体流动的主要驱动力是表面张力梯度。溶池中的流场随电流作周期性变化。     

基于FLUENT的TIG焊瞬态熔池三维形态的数值模拟

根据流体力学和传热学原理,建立了 TIG 焊瞬态熔池三维数值分析模型.电弧热源模型采用典型的高斯热源分布模型,模型考虑熔池液态金属对流传热、熔池外工件的固态导热、焊接过程中的相变潜热、熔池流体的紊流特性、材料的热物理性能参数随温度变化等因素.用 enthalpy-porosity 方法处理工件熔化/凝固过程中的问题,FLUENT RNG k-ε湍流模型对 TIG 焊熔池模型进行求解.给出了熔池形状的可视化图形结果,熔池形状特征参数随时间的动态变化.结果表明,计算值与实测值吻合良好.

Abstract：

Based on theories of fluid dynamics and heat zransfer, a transient three-dimensional model of TIG weld pools is established, in which Gaussian distribution is used to describe the heat flux source of arc. Many factors are considered in the model including the convective heat transfer of liquid metal and the heat conduction of solid metal, latent heat in welding process, the turbulence characteristics of welding pool fluid, material thermo physical properties as the function of temperature and so on. The enthalpy-porosity technology is adopted to solve the problem with workpiece phase transformation. The graphics results of weld pools and the variation of shape parameters with time are given by using FLUENT RNG k-ε model to calculate the TIG wielding pool. The experiments show that the calculated results agree well with measured value.     

熔池表面变形对电弧行为特征的影响

在电弧与熔池统一模型的基础上研究熔池上表面变形对电弧行为特征的影响。用本模型计算出的平坦熔池表面电流密度和热流密度的分布与试验结果显示了很好的一致性。而变形熔池表面的电流密度和热流密度分布则不再符合近似的高斯分布。这就为下一步研究电弧和熔池的工作提供了基础。     

电弧热流分布模式对GMAW焊接温度场的影响

提出了ＧＭＡＷ熔池表面产生较大变形时的电弧热流分布模式,以此为基础并考虑熔滴过渡过程及焊缝余高,建立了焊接温度场的数值分析模型,通过数值模拟,定量分析了焊接工艺参数－ＧＭＡＷ熔池表面变形－电弧热流分布－熔池形态及其温度是之间的相互影响。焊接工艺试验结果,与高斯热源模型相比,采用本文给出的ＧＭＡＷ电弧热液分布模型的计算结果更符合实际。     

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。     

活性元素氧对AA-TIG焊熔池传输行为影响的数值模拟

电弧辅助活性TIG焊(arc assisted activating TIG welding,AA-TIG焊),采用辅助电弧以Ar+O₂作为保护气体预熔待焊母材表面以形成氧化层,再进行常规TIG焊,可使熔深明显增加.文中结合AA-TIG焊熔池氧元素分布的实验研究,提出焊接熔池表面氧元素的两种不均匀分布模式,考虑浮力、电磁力和表面张力,建立了更完善的电弧辅助活性TIG焊熔池模型,模拟研究氧元素在熔池表面呈不均匀分布时,AA-TIG焊瞬态熔池中动量及能量的传输行为.假设熔池内部液态金属是湍流、不可压缩Newton流体,使用FLUENT RNG k-ε湍流模型进行处理.结果表明,当氧在熔池上表面呈非均匀分布,并且氧的不均匀分布模型为低氧模型时,熔池内部仍然以内对流流动为主.     

电子束扫描横焊薄铌板的熔池动力学行为

在电子束焊接过程中,金属液体蒸发的反冲压力、表面张力、重力等驱动力共同作用于熔池,对焊缝成形有显著影响. 在扫描横焊的情况下,电子束作用范围的扫描摆动和重力方向的旋转使熔池的动力学行为变得更复杂. 采用试验和数值计算方法对电子束扫描横焊薄铌板的熔池形态和凝固后熔合区形貌进行研究,数值模拟得到的熔池形态和熔合区形状与试验结果吻合. 熔池流场分析结果表明,半熔透熔池的驱动力主要为液态金属蒸发引发的反冲压力;全熔透熔池的上表面Marangoni流动占主导,表面张力与反冲压力共同作为熔池流动的驱动力;重力与焊接扫描共同作用使得熔池两侧的质量分布和流场分布不对称,造成了焊缝两侧熔合线的不对称.     

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

ＭｏｄｅｌｉｎｇｔｒａｎｓｉｅｎｔｆｌｕｉｄｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｐｈｅｎｏｔｈｅｎａｉｎｓｔａｔｉｏｎａｒｙｐｕｌｓｅｄｃｕｒｒｅｎｔＴＩＧｗｅｌｄｐｏｏｌ￥ＺｈｅｎｇＷｅｉ；ＷｕＣｈｕａｎｓｏｎｇａｎｄＷｕＬｉｎ（ＨａｒｂｉｎＩｎ...     

Theoretical study of Marangoni convection and weld penetration under influence of high oxygen content in base metal

Abstract

A 3D mathematical model is developed to simulate the weld pool development in a moving weld pool of 304 stainless steels with different oxygen concentrations. It is shown that the oxygen can cause significant changes in fluid flow patterns and temperature fields. When oxygen content is <280 ppm, the weld penetration and depth/width ratios increase sharply with increasing oxygen content; positive and negative temperature coefficients of surface tension coexist and cause shallow and wide weld pool. When oxygen content is in the range of 280–500 ppm, positive temperature coefficient of surface tension dominates the flow patterns and causes deep and narrow weld pool. The weld penetration and depth/width ratios remain nearly constant. When oxygen content is >500 ppm, the weld penetration and depth/width ratios decrease again. Vortexes that have different positions, strength and directions may be found in the pool. The vortexes with opposite directions caused by positive temperature coefficient of surface tension can efficiently transfer the thermal energy from the arc, creating a deep weld pool.     

周期超声对铝合金TIG焊缝成形影响机制分析

超声可以影响铝合金TIG焊熔池结晶与焊缝成形,文中对超声场下铝锂合金TIG焊缝成形的机制进行了分析.文中分析了超声作用下焊缝宏观形貌及熔池上表面振动的变化,并通过有限元分析了超声对熔池流动的影响.周期超声使焊缝出现周期性的凸起,焊缝熔宽有变小趋势.超声使熔池上表面振动幅度增大,周期超声使熔池上表面产生周期性的振动.对焊缝周期性凸起产生的机制进行分析.结果表明,声流使熔池流动速度增大,熔池边缘熔体流动状态变化,熔池凝固后在熔池边缘产生凸起.周期超声周期性地影响熔池的流动及凝固,因此熔池边缘产生周期性凸起.     

New model of body force in electromagnetic stirring gas tungsten-arc welding

1　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｔｉｒｒｉｎｇ (ＥＭＳ)ｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈ ｎｉｑｕｅｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈｅｃｏｍｍｏｎａｒｃｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈ ｎｉｑｕｅａｎｄｈａｓｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｄｖａｎｔａｇｅｓ[1～ 3] :1)ｌｏｗｃｏｓｔｓｆｏｒｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｏｗｉｎｇｔｏｓｉｍｐｌｅａｄｄｉｔｉｏｎａｌｅｑｕｉｐ ｍｅｎｔ;2 )ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｗｈｉｃｈｔｈａｎｋｓｔｏｔｈｅｕｓｅｏｆｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃ…     

电子束横焊3mm纯铌板的熔池形态研究

高能加速器纯铌超导腔内导体,要求加工后的外表面光滑平整,以保证其特殊性能的要求。在电子束平焊全熔透情况下,超导腔焊缝正面在反冲压力作用下易发生未焊满及塌陷等缺陷。本文采用合适的电子束横焊工艺参数,得到了符合工艺要求的正面余高焊缝。并且建立了3mm厚的高纯铌板横焊过程的二维模型,针对不同的焊接参数分别设计了不同尺寸和形状的熔池,结合VOF算法,模拟焊接熔池里液态金属自由表面存在状态,得到了不同焊接参数下熔池的演变过程。实验结果显示,焊接熔宽随焊接线能量的升高而增大,数值模拟与实验结果较吻合。