基于自由表面變形的TIG焊熔池行為研究.pdf

1、TIG焊由于焊接過程穩(wěn)定、易于控制，可以自動(dòng)清除工件氧化膜，適合全位置焊接以及焊接質(zhì)量高等特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，是焊接各種有色金屬及合金、不銹鋼、高溫合金、超高強(qiáng)度鋼等的理想方法。隨著焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化程度不斷提高，對(duì)焊接效率的要求也越來越高。增大焊接電流，提高焊接速度，是提高焊接效率最常采用的方法。但是焊接速度的提高會(huì)帶來一些焊接缺陷，其中最主要的是焊縫成形差，出現(xiàn)焊道咬邊的現(xiàn)象，為了改善高速焊接時(shí)的焊縫成形，首先需

2、要了解焊縫成形不良的機(jī)理。熔池的流動(dòng)行為對(duì)焊縫成形具有非常重要的影響，而熔池表面的變形不僅會(huì)引起作用于熔池的電流和熱流密度分布發(fā)生改變，還會(huì)導(dǎo)致焊縫液態(tài)金屬內(nèi)部的傳熱環(huán)境發(fā)生變化，如此會(huì)影響到熔池形貌、焊縫表面質(zhì)量及接頭的組織和力學(xué)性能。目前由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，通過實(shí)驗(yàn)手段來觀察焊接熔池是非常困難的。因此，運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)研究基于自由表面的TIG焊接熔池行為，揭示熔池流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，為咬邊及駝峰焊道的產(chǎn)生過程提供理論依據(jù)，對(duì)更好

3、的實(shí)現(xiàn)焊接過程控制以及改進(jìn)焊接方法、提高焊接質(zhì)量和焊接效率具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文采用有限差分法，應(yīng)用FLOW-3D軟件并對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)，在考慮自由表面的情況下，建立了定點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)TIG焊接熔池的三維瞬態(tài)模型，對(duì)焊接熔池流場(chǎng)和熱場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，以加深對(duì)焊接熔池內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱過程的理解，為得到高質(zhì)量的低碳鋼TIG焊縫提供理論依據(jù)。本文TIG焊接熱源模型采用經(jīng)典的高斯熱源分布模式，考慮了工件和外界的對(duì)流換熱和輻射，熔池的蒸發(fā)

4、散熱，以及驅(qū)使熔池內(nèi)液態(tài)金屬產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的浮力、電磁力和表面張力梯度等驅(qū)動(dòng)力。為了兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，采用非均勻網(wǎng)格。
　　首先，研究了定點(diǎn)TIG焊接在相同電流不同焊接時(shí)間，不同電流相同焊接時(shí)間，不同表面張力溫度系數(shù)三種焊接條件下熔池?zé)釄?chǎng)和流場(chǎng)的變化規(guī)律及自由表面的演化情況，結(jié)果表明:相同電流時(shí)，加熱時(shí)間越長，熔池深寬比越大，自由表面變形越大;不同電流時(shí)，電流越大，自由表面變形越大;不同表面張力溫度系數(shù)時(shí)，表面張力溫度系數(shù)越大，溫

5、度梯度越小，熔池深寬比越大。
　　其次，對(duì)運(yùn)動(dòng)TIG焊接在相同電流不同焊接速度，相同焊接速度不同電流以及高速TIG焊接，三種焊接條件下的熔池內(nèi)流場(chǎng)、熱場(chǎng)及自由表面演化情況進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明:相同電流時(shí)，焊接速度越高，溫度梯度越大，熔池深寬比越小;相同焊接速度時(shí)，電流越高，溫度梯度越大，熔池深寬比越小，自由表面變形越大;大電流高速焊接時(shí)，溫度梯度大，熔池深寬比小。
　　最后，對(duì)大電流高速TIG焊進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了駝峰