基于数值模拟的旋转电弧TIG焊熔滴过渡研究

发布时间：2020-09-30 11:06

　　 旋转电弧传感器作为一种实时传感器,具有其它传感器难以替代的优势。将旋转电弧应用于TIG焊(Tungsten Inert Gas Arc Welding),对于促进TIG焊接自动化具有重要意义。由于离心力的影响,旋转电弧的热场和流场将发生变化,焊接过程中熔滴被包裹于电弧内,电弧性能的变化将影响熔滴过渡。因此,在研究熔滴过渡的同时,有必要对焊接电弧进行深入的研究。在TIG焊接过程中填入焊丝,熔化后可以填充焊缝,还可以补充由于电弧高温而烧损的金属元素。熔滴的过渡频率及其过渡形式对焊缝成形和焊缝质量有着直接的影响,利用数值模拟方法研究电弧特性和熔滴过渡,更容易从物理本质上了解电弧内部的流场分布以及焊接参数对熔滴过渡周期和过渡形式的影响规律。本文使用商用计算流体动力学软件FLUENT,分别对旋转电弧和熔滴过渡进行了数值模拟。首先以磁流体动力学理论为基础,建立了TIG焊旋转电弧的数学模型,对不同焊接电流、旋转频率和保护气流量下的旋转电弧进行了数值模拟。然后建立了熔滴过渡数学模型,使用VOF方法跟踪熔滴自由表面,模拟了不同焊接电压、旋转频率和焊接电流下的熔滴过渡形态。在模拟电弧和熔滴时,都需要使用UDF与FLUENT内部数据进行交流,以增加模型需要的方程。为了验证数值模拟的合理性,利用高速摄像机分别拍摄了相应焊接参数下的电弧形态和熔滴过渡特征。对于电弧模拟,在本文所选参数范围内,随着焊接电流增大,电弧偏离中心线的程度和偏转幅度都变小。随着旋转频率增大,电弧整体,尤其是电弧低温区域偏转增大。随着保护气流量增大,阳极区的等温线有向外扩张趋势,即电弧钟罩形更明显。对于熔滴模拟,随着焊接电压升高,熔滴过渡形式由滴状过渡转变为自由过渡,焊丝端面与熔池之间的距离是影响熔滴过渡形式最主要的因素。随着旋转频率增大,熔滴过渡频率略微增加。当焊接电流增加时,熔滴过渡频率明显增加。将模拟结果与高速相机拍摄结果进行比较,两者吻合较好,模拟结果合理。研究结果为旋转电弧TIG填丝焊的焊接工艺的制定提供了理论基础。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG444.74
【部分图文】：

第 1 章 绪论日本的 NKK 公司于二十世纪八十年代研制成功了如图 1.1 所示的旋转感器，采用一对外接触齿轮实现了焊丝的旋转，可以通过调整顶部锥角旋转半径的调整。由于导电杆高速旋转，无法与焊接电缆之间刚性连接通过类似于电刷的装置将电流传导至导电杆。韩国的 C.H.Kim 等人设计 1.2 所示的高速旋转电弧传感器，由于焊嘴发生偏移，空心轴旋转时带动相同速度旋转。但由于焊丝只有在与焊嘴接触时才能旋转，且在送丝过丝与焊嘴拐弯处发生摩擦，因此焊嘴的耗损较大。

第 1 章 绪论日本的 NKK 公司于二十世纪八十年代研制成功了如图 1.1 所示的旋转感器，采用一对外接触齿轮实现了焊丝的旋转，可以通过调整顶部锥角旋转半径的调整。由于导电杆高速旋转，无法与焊接电缆之间刚性连接通过类似于电刷的装置将电流传导至导电杆。韩国的 C.H.Kim 等人设计 1.2 所示的高速旋转电弧传感器，由于焊嘴发生偏移，空心轴旋转时带动相同速度旋转。但由于焊丝只有在与焊嘴接触时才能旋转，且在送丝过丝与焊嘴拐弯处发生摩擦，因此焊嘴的耗损较大。

图 1.3 高速旋转电弧扫描焊炬图 图 1.4 改进型旋转电弧传感器图a 传感器外壳 b 传感器内部结构 c 偏心结构图 1.5 TIG 焊旋转电弧传感器湘潭大学洪波[22-24]等人对磁控旋转电弧传感器进行了大量研究。由于电一种磁流体，利用旋转频率和场强都变化的旋转磁场可以控制电弧转动。提高焊缝跟踪精度，对采集到的信号进行滤波处理，研究了焊缝偏差识别

【参考文献】

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1 吴东升;华学明;叶定剑;张菁;顾煜;李芳;;MIG焊接熔池形成与凝固过程数值模拟[J];焊接;2015年09期

2 洪波;柳健;洪宇翔;王谦;;基于Kalman滤波的磁控旋转电弧传感器焊缝跟踪偏差预测[J];焊接学报;2015年05期

3 樊丁;黄自成;黄健康;王新鑫;黄勇;;考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析[J];物理学报;2015年10期

4 任重阳;余圣甫;晋家兵;;高铬铸铁型药芯焊丝熔滴过渡及飞溅试验研究[J];焊接;2015年03期

5 刘富强;杨林;王宝;;焊接电参数对药芯焊丝熔滴过渡形态的影响[J];热加工工艺;2011年21期

6 雷振;林尚扬;王旭友;杜兵;王威;;激光-数字化精确控制短路过渡电弧复合热源焊接技术——一种可取代TIG填丝焊的高效焊接新方法[J];焊接;2009年05期

7 雷玉成;李彩辉;郁雯霞;程晓农;;氮氩气体保护TIG焊接电弧数值分析[J];焊接学报;2006年11期

8 林尚扬;我国焊接生产现状与焊接技术的发展[J];船舶工程;2005年S1期

9 贾剑平;张华;徐健宁;;电弧传感器的研究现状与展望[J];焊接;2005年11期

10 杨宗辉;船舶焊接机器人系统关键技术进展[J];电焊机;2005年06期

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1 赵健;电子束填丝焊接熔化过渡行为及铜/钢焊接研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

2 毛志伟;旋转电弧传感移动焊接机器人机构设计与仿真[D];南昌大学;2007年

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1 王涛;自主移动机器人空间曲面焊缝的识别与跟踪控制研究[D];湘潭大学;2017年

2 姚强;基于磁控旋转电弧传感的堆焊层曲面重建关键技术研究[D];湘潭大学;2017年

3 钟庆飞;旋转电弧传感器平板堆焊气流场及电弧温度场仿真[D];南昌大学;2016年

4 彭小飞;镁合金DE-GMAW熔滴过渡数值模拟[D];南昌大学;2016年

5 张登明;D406A超高强度钢激光-TIG填丝焊接特性研究[D];哈尔滨工业大学;2015年

6 彭亮;基于旋转电弧传感器GMAW焊接熔滴行为的研究[D];南昌大学;2014年

7 宋加强;熔化极气体保护焊滴状过渡熔滴行为的数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

8 刘翠霞;旋转电弧自保护焊焊缝成形及自动跟踪的研究[D];华南理工大学;2011年

9 梅]/玺;窄间隙高速旋转电弧焊接工艺的研究[D];上海交通大学;2010年

10 范宁;熔化极气体保护焊熔滴过渡模拟[D];沈阳工业大学;2009年

本文编号：2830752