熔化極氣體保護(hù)焊傳熱與傳質(zhì)過程的數(shù)值研究.pdf

1、熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)操作方便、生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的焊接生產(chǎn)中，包括汽車、航空、造船、國防、石油、電子等工業(yè)。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化要求的提高，選擇最佳的操作參數(shù)對獲得安全、高效、高質(zhì)量的焊接過程十分重要。本研究數(shù)值模擬了不同焊接條件下GMAW中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象，討論了有關(guān)的物理機(jī)理。本研究首先利用流體體積法(VOF)和連續(xù)介質(zhì)模型建立了二維非穩(wěn)態(tài)的GMAW統(tǒng)一模型。該模型可用于預(yù)測GMAW焊接過程中瞬態(tài)的輸運(yùn)現(xiàn)象，包括等

2、離子電弧的結(jié)構(gòu)與變化，焊絲熔化、熔滴形成、脫離、過渡和射入到熔池內(nèi)，以及熔池輸運(yùn)特性等。利用該二維模型研究了焊絲的熔化現(xiàn)象和合理送絲速度的確定，以及保護(hù)氣體成分對等離子電弧特性和金屬過渡的影響。另外，考慮熔滴過渡、重力、電磁力、電弧壓力和表面張力等的作用，建立了三維數(shù)值模型預(yù)測了GMAW移動(dòng)焊接過程中復(fù)雜的輸運(yùn)現(xiàn)象，以及焊接參數(shù)對焊縫表面波紋形成的影響。
　　 送絲速度必須與焊絲熔化速度保持動(dòng)態(tài)的平衡以獲得穩(wěn)定的焊接過程。由于與

3、其它焊接參數(shù)強(qiáng)烈耦合、以及熔滴周期性過渡的影響，送絲速度的確定非常復(fù)雜。利用二維數(shù)學(xué)模型，分析了焊絲中的傳熱和熔化現(xiàn)象，以及送絲速度對焊接穩(wěn)定性的影響；得到了不同條件（焊接電流和焊絲直徑）下，可獲得穩(wěn)定焊接的送絲速度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。研究表明，合理的送絲速度為一個(gè)窄幅的連續(xù)區(qū)域，在此范圍內(nèi)可獲得穩(wěn)定的焊接過程。焊絲熔化速度具有一定的自我調(diào)整能力，在一定范圍內(nèi)可隨送絲速度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并與之相平衡。在這個(gè)區(qū)域之外，送絲速度太慢會(huì)使焊

4、絲燒導(dǎo)電嘴，太快會(huì)伸入到熔池內(nèi)。
　　 利用二維模型，數(shù)值研究了在連續(xù)恒定電能輸入和恒定電流強(qiáng)度下，保護(hù)氣體成分對GMAW焊接過程中瞬態(tài)輸運(yùn)現(xiàn)象的影響。模擬了純Ar，75％Ar＋25％He，50％Ar＋50％He和25％Ar＋75％He氣氛下的GMAW過程中電弧區(qū)和金屬區(qū)內(nèi)的輸運(yùn)現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，在Ar保護(hù)氣體中摻入He，對電弧參數(shù)的瞬態(tài)分布、熔滴形成和過渡過程、以及焊縫形狀和熔深都有重要的影響。結(jié)果顯示，不同保護(hù)氣體的熱物性（如

5、電離能、電導(dǎo)率、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱和粘性系數(shù)等）在高溫下差別顯著，因此其電離產(chǎn)生的電弧具有不同的特性。由于氦的電離能較高，因此，當(dāng)保護(hù)氣體中的氦含量增加時(shí)，電弧發(fā)生顯著收縮，電弧的形狀由喇叭口形變成錐形。純Ar氣氛下，沿工件表面的電弧壓力呈高斯分布；在高氦氣氛下，電弧壓力不再呈高斯分布，其頂部較平而峰值減小。高氦氣氛下，隨著電弧的收縮，熔滴底部出現(xiàn)向上的電磁力，延長熔滴懸于焊絲上的時(shí)間。因此，形成了扁圓形的熔滴以及更低的過渡頻率。預(yù)測結(jié)果與

6、實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象相一致。
　　 利用三維模型預(yù)測了GMAW移動(dòng)焊接過程中熔池內(nèi)的速度、溫度和濃度的分布及其動(dòng)態(tài)特性，重點(diǎn)研究了各焊接參數(shù)對焊波特征的影響。本研究發(fā)現(xiàn)焊波形成的機(jī)理與熔池表面的振蕩幅度和焊接凝固速率有關(guān)，得到了不同焊接參數(shù)（如焊接電流，熔滴的大小、過渡頻率和射入速度，焊接速度等）對焊波形狀、間距和高度的影響。計(jì)算結(jié)果顯示，在高焊接電流下，熔滴尺寸變小，過渡頻率和射入速度增大，導(dǎo)致熔池內(nèi)劇烈的對流，凝固速度減小，從而