全熔透GTAW熔池形態(tài)數(shù)值模擬精度的改進.pdf

1、建立全熔透GTAW熔池形態(tài)的數(shù)值分析模型，不斷改進和提高數(shù)值模擬的精度，是當前焊接學科國際前沿的重要研究領(lǐng)域。國內(nèi)外研究者在GTAW焊接熔池形態(tài)的數(shù)值模擬研究方面開展了多年的研究工作，并取得了很大的進展。但是，仍然存在許多重要問題有待于進一步解決。其中，現(xiàn)有模型存在三個問題：(1)計算出的熔池尾部的后拖小于實測結(jié)果；(2)采用的熔池表面變形方程不夠完備，熔池表面變形的預(yù)測值有較大誤差；(3)模型不具備對熔透熔池產(chǎn)生塌陷和焊穿缺陷的預(yù)測/

2、判斷功能。因此，圍繞上述三個方面繼續(xù)深入研究，進一步改進和提高熔池形態(tài)數(shù)值模擬的精度，對于焊接工藝優(yōu)化設(shè)計和焊接過程智能控制，都具有重要的理論意義和工程實用價值。 建立了全熔透GTAW熔池形態(tài)的數(shù)值分析模型，涉及到了GTAW焊接的各種影響因素(電弧運動、全熔透、三維、瞬態(tài)、熱場、流場、上/下表面變形、相變潛熱、曲面邊界)。模型中充分注意了以下幾個方面的問題：(1)考慮了電弧運動對電弧熱流和電弧壓力分布的影響，給出了電弧熱流和電弧

3、壓力雙橢圓分布模式的數(shù)學表達式；(2)給出了工件部分熔透和工件全熔透情況下熔池自由表面變形方程的推導過程，論證了本文給出的熔透熔池表面變形方程的完備性；(3)采用液體分數(shù)法處理相變潛熱；(4)采用貼體曲線坐標系處理變形的曲面邊界條件，并推導出了貼體曲線坐標系中的控制方程組及其定解條件。在此基礎(chǔ)上，給出了控制方程組和表面變形方程組的有限差分離散化形式，采用了附加源項法處理能量和動量邊界條件；設(shè)計算法以及編寫和調(diào)試數(shù)值計算程序，程序中采用了

4、過程和模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，增強了程序的可讀性和可維護性，提高了程序的靈活性和適用性。 利用本文建立的模型和設(shè)計的數(shù)值計算程序，對GTAW焊接不銹鋼板時的焊接溫度場、熔池流場和熔池幾何形狀的動態(tài)變化過程進行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果表明：采用雙橢圓分布模式并正確選取熱源在工件上的計算區(qū)域，同時考慮相變潛熱的影響，使計算得到的熔池上表面形狀與試驗測得的熔池上表面形狀吻合良好，提高了GTAW熔池形狀的數(shù)值計算精度，解決了數(shù)值計算結(jié)果中熔池尾部

5、后拖不足的問題。 采用了完備的熔透熔池上、下表面變形方程，模擬了從熔池形成到焊接過程達到準穩(wěn)態(tài)時熔池自由表面變形的動念演變，考察了上表面最大下塌量、下表面最大下塌量、上表面最大隆起量、表面下塌體積和拉格朗日常數(shù)在數(shù)值模擬過程中的動態(tài)變化曲線。發(fā)現(xiàn)：除了熔池表面變形特征參數(shù)(如上表面最大下塌量、上表面最大隆起量、表面下塌體積)之外，拉格朗日常數(shù)的動念變化與工件熔透程度之間也有比較明顯的相關(guān)性。通過與已有文獻的對比，認為本文所采用的

6、熔透熔池表面變形計算公式更加完善，并通過試驗驗證了計算結(jié)果的可靠性，解決了原有模型得出的熔透熔池自由表面變形量計算值偏小的問題。 在熔池形狀與表面變形計算精度提高的基礎(chǔ)上，通過對GTAW熔透熔池整體進行受力分析，建立了全熔透熔池的力學模型，從理論上給出了熔池塌陷的力學判據(jù)。分析了可穩(wěn)定存在熔透熔池中各作用力的動態(tài)變化，討論了作用在熔池區(qū)域的下塌力和支撐力各分量所占的百分比；分析了塌陷熔池中力和表面變形的動態(tài)演變，討論了正面熔池形

7、態(tài)與焊穿產(chǎn)生傾向之間的相關(guān)性；預(yù)測了GTAW焊接不同材質(zhì)和板厚工件時的熔透情況。根據(jù)所建立的熔池塌陷的力學判據(jù)，模型本身就能自動地對選取的焊接工藝參數(shù)是否適用、是否產(chǎn)生熔透過大和焊穿缺陷做出判斷，從而避免了數(shù)值模擬過程的“失真”，保證了數(shù)值計算結(jié)果的有效性和可靠性。 進行了不銹鋼板和低碳鋼板的GTAW工藝試驗，測量了各種熔池形狀參數(shù)(如熔池上表面形狀、焊縫橫斷面輪廓和熔池自由表面下塌變形量等)，對數(shù)值模擬結(jié)果進行了實驗驗證?；?/p>