薄壁零件等离子堆焊精确成形控制方法研究
发布时间：2020-05-06 09:45
【摘要】：随着薄壁零件在航天航空、汽车制造等领域的广泛应用,薄壁零件的加工制造工艺成为当前研究热点。但传统加工方法工艺复杂、制造周期长、材料利用率较低,故以堆焊为基础的薄壁零件快速成形技术迅速兴起。但薄壁特征导致熔池“下淌”较为突出,严重影响其成形精度,为解决上述问题,论文结合快速成形原理,采用微束等离子焊接系统,提出利用外加电磁场辅助焊接过程以提高薄壁零件堆焊成形精度的控制策略。论文以304不锈钢零件的堆焊为研究对象,应用COMSOL有限元分析软件建立数学模型,并对其熔池形态及流场特性进行研究。模型使用等效比热容法考虑相变潜热对温度场分布的影响,通过在动量方程中添加体积力体现熔池受力情况。仿真结果表明:薄壁特征导致熔池区域等温线为倒梯形,非熔池区域等温线为水平分布;表面张力是影响熔池流场特性的主要因素,在熔池中心温度高,表面张力较小,熔池边缘温度低,表面张力较大,故表面张力梯度驱使流体沿径向从中心向边缘流动,并在边缘处向下运动,将更多热量带入熔池底部,形成向两侧“下淌”的现象。为探讨影响表面张力变化的关键因素,建立在氩气保护氛围下包含熔滴过渡、熔池自由表面变形及凝固在内的固、液、气三相统一模型。模型采用改进的水平集法捕捉气-液界面自由表面运动变化,通过对流体速度的散度求解,保证气液相体积的守恒。为处理气相区和液相区材料属性急剧变化引起的不收敛问题,引入Heaviside函数对密度、粘度及热导率等进行平滑处理。采用焓孔隙率法描述固-液界面熔化及凝固过程,将固化过程并入了体积力方程中,解决了在气液两相流模型中处理第三相的相转变问题。并对表面张力系数、表面张力温度系数以及接触角进行了详细的分析,确定了各参数对于熔池成形的影响规律。为调控表面张力对熔池“下淌”产生的影响,提出利用非接触力-电涡流力提高堆焊成形精度的方法。该方法将高频正弦交流电通入励磁线圈产生感应磁场,同时此磁场在熔池表面感生电涡流,电涡流受到磁场的作用会产生指向熔池中心的电涡流力,达到抑制熔池向两侧“下淌”的目的。为了得到励磁线圈最佳结构参数和电参数,基于麦克斯韦方程给出高频交变电磁场中熔池表面的涡流密度、磁通密度及电场强度的解析方程,并通过建立高频励磁装置的数学模型,求解出工件表面上磁通密度、涡流密度和电涡流力的分布规律。随后建立了堆焊过程中温度场-流场-外加电磁场多场耦合数学模型,该模型揭示了外加电磁场对熔池流体流动特性的影响规律,通过抵消表面张力的作用,改变了熔池流体漩涡中心位置,使熔池内流体流速分布更加均匀,从而实现对熔池成形的精确控制。搭建了微束等离子堆焊精确成形控制平台并进行了多层堆焊试验。通过对比施加电磁场前后堆焊层形貌的变化,对外加磁通密度与熔宽变化量、余高变化量进行回归分析并建立相应的回归方程,其熔宽变化量满足三次方程,余高变化量满足幂函数方程,从而为外加电涡流力控制成形技术提供理论依据。
【图文】：
哈尔滨工业大学的徐富家［１３］等将脉冲等离子焊接与金属ＲＰ技术相结合，研逡逑究了不同焊接工艺参数对多道对接轨迹宽高比的影响规律，并完成多层薄壁零件逡逑的直接成形。如图１－３所示。逡逑＂嘴＿逡逑（ａ）多层单道成形逦（ｂ）空心薄壁零件逡逑图１－３薄壁零件脉冲等离子堆焊成形逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｐｕｌｓｅ邋ｐｌａｓｍａ邋ｗｅｌｄｉｎｇ邋ｆｏｒｍｉｎｇ邋ｏｆ邋ｔｈｉｎ邋ｗａｌｌ邋ｐａｒｔｓ逡逑联邦理工大学Ｐ．Ｋ．邋Ｆａｒａｙｉｂｉ［１４］将激光和电子束加工相结合，进行了邋Ｔｉ－６ＡＩ逡逑－４Ｖ材料的多层和多道快速成形研宄。其侧重点是如何更好的规划多层的余高逡逑和多道的道间隔。宾夕法尼亚州立大学Ｔ．邋Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ等［１５】建立了邋Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ在增逡逑材制造过程中的三维瞬态传热和流场流动模型，发现层厚越小每层的温度峰值越逡逑大，这会减小残余应力，而熔融金属对流收到表面张力驱动，且对流对温度的影逡逑响比热传递作用明显。逡逑哈尔滨工业大学柏久阳［１６］等利用二次通用旋转组合的方法设计了实验样本，逡逑通过二次回归方程建立工艺参数与成形试样稳定区域的焊道宽度尺寸预测模型，逡逑发现影响焊道宽度的主要因素依次为焊接电流、焊接速度和层间温度。图１－４是逡逑利用该模型试验得出的薄壁立板和薄壁圆筒类零件。逡逑３逡逑
（ａ）薄壁立板逦（ｂ）薄壁圆筒逡逑图１－４丝材电弧X棽闹圃斓模担粒埃堵梁辖鹆慵义希疲椋纾澹保村澹担粒埃跺澹幔欤酰恚椋睿酰礤澹幔欤欤铮澹穑幔颍簦箦澹恚幔洌邋澹猓澹遥幔穑椋溴澹校颍铮簦铮簦穑椋睿珏澹停幔睿酰妫幔悖簦酰颍椋睿珏澹铮驽澹鳎椋颍邋澹幔颍沐义仙鲜鲅芯慷嘟氐慵性诤附庸ひ詹问蚵肪豆婊挠呕矫妫怯捎诘珏义匣】焖俪尚沃圃旃讨写嬖诿飨缘摹敖滋菪вΑ保现赜跋炝肆慵尚沃柿浚义夏谕庋д呶溆跋欤岣叱尚尉确矫娼辛讼喙匮绣场Ｒ獯罄ㄋ嵫谴箦义涎У模牵椋铮觯幔睿睿殄澹停酰螅悖幔簦锏日攵钥焖俪尚渭庸さ谋栈泛附涌刂平辛搜芯浚隋义峡⒁惶鬃远刂葡低常钊胩教至撕附尤裙毯秃附硬问涔叵怠Ｎ榷ㄥ义系娜仍矗附铀俣群退退克俣壬栉Ａ浚允垢丛拥暮附佣ρЧ坛氏咝怨劐义舷担詈蠼泳跸低骋胛露瘸”栈房刂葡低持校⒔辛耸导柿慵某尚问笛椤ｅ义峡纤笱У模冢瑁幔睿纾伲酰恚椋睿纾郏保福莼诨魅耍牵停粒坠ひ战辛隋澹牛罚埃樱逗停樱樱常埃稿义喜牧系目焖俪尚窝绣场Ｕ紫低巢捎茫粒蚝停ǎ海埃不旌掀霰；て
本文编号：2651074
【图文】：
哈尔滨工业大学的徐富家［１３］等将脉冲等离子焊接与金属ＲＰ技术相结合，研逡逑究了不同焊接工艺参数对多道对接轨迹宽高比的影响规律，并完成多层薄壁零件逡逑的直接成形。如图１－３所示。逡逑＂嘴＿逡逑（ａ）多层单道成形逦（ｂ）空心薄壁零件逡逑图１－３薄壁零件脉冲等离子堆焊成形逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｐｕｌｓｅ邋ｐｌａｓｍａ邋ｗｅｌｄｉｎｇ邋ｆｏｒｍｉｎｇ邋ｏｆ邋ｔｈｉｎ邋ｗａｌｌ邋ｐａｒｔｓ逡逑联邦理工大学Ｐ．Ｋ．邋Ｆａｒａｙｉｂｉ［１４］将激光和电子束加工相结合，进行了邋Ｔｉ－６ＡＩ逡逑－４Ｖ材料的多层和多道快速成形研宄。其侧重点是如何更好的规划多层的余高逡逑和多道的道间隔。宾夕法尼亚州立大学Ｔ．邋Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ等［１５】建立了邋Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ在增逡逑材制造过程中的三维瞬态传热和流场流动模型，发现层厚越小每层的温度峰值越逡逑大，这会减小残余应力，而熔融金属对流收到表面张力驱动，且对流对温度的影逡逑响比热传递作用明显。逡逑哈尔滨工业大学柏久阳［１６］等利用二次通用旋转组合的方法设计了实验样本，逡逑通过二次回归方程建立工艺参数与成形试样稳定区域的焊道宽度尺寸预测模型，逡逑发现影响焊道宽度的主要因素依次为焊接电流、焊接速度和层间温度。图１－４是逡逑利用该模型试验得出的薄壁立板和薄壁圆筒类零件。逡逑３逡逑
（ａ）薄壁立板逦（ｂ）薄壁圆筒逡逑图１－４丝材电弧X棽闹圃斓模担粒埃堵梁辖鹆慵义希疲椋纾澹保村澹担粒埃跺澹幔欤酰恚椋睿酰礤澹幔欤欤铮澹穑幔颍簦箦澹恚幔洌邋澹猓澹遥幔穑椋溴澹校颍铮簦铮簦穑椋睿珏澹停幔睿酰妫幔悖簦酰颍椋睿珏澹铮驽澹鳎椋颍邋澹幔颍沐义仙鲜鲅芯慷嘟氐慵性诤附庸ひ詹问蚵肪豆婊挠呕矫妫怯捎诘珏义匣】焖俪尚沃圃旃讨写嬖诿飨缘摹敖滋菪вΑ保现赜跋炝肆慵尚沃柿浚义夏谕庋д呶溆跋欤岣叱尚尉确矫娼辛讼喙匮绣场Ｒ獯罄ㄋ嵫谴箦义涎У模牵椋铮觯幔睿睿殄澹停酰螅悖幔簦锏日攵钥焖俪尚渭庸さ谋栈泛附涌刂平辛搜芯浚隋义峡⒁惶鬃远刂葡低常钊胩教至撕附尤裙毯秃附硬问涔叵怠Ｎ榷ㄥ义系娜仍矗附铀俣群退退克俣壬栉Ａ浚允垢丛拥暮附佣ρЧ坛氏咝怨劐义舷担詈蠼泳跸低骋胛露瘸”栈房刂葡低持校⒔辛耸导柿慵某尚问笛椤ｅ义峡纤笱У模冢瑁幔睿纾伲酰恚椋睿纾郏保福莼诨魅耍牵停粒坠ひ战辛隋澹牛罚埃樱逗停樱樱常埃稿义喜牧系目焖俪尚窝绣场Ｕ紫低巢捎茫粒蚝停ǎ海埃不旌掀霰；て
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