FCB法三丝单面埋弧焊熔池热力耦合模拟研究

发布时间：2020-10-10 08:27

　　焊剂铜衬垫法三丝单面埋弧焊(FCB法)因高效、经济等优点,被广泛应用于船舶、桥梁等行业的大中厚板(8~40 mm)的拼板焊接。但由于FCB法含有多个高热输入热源及多重外力相叠作用,其熔池的温度场和动态行为十分复杂,焊接时极易出现某些缺陷,如焊缝区及热影响区晶粒组织严重粗化、焊缝始终端纵向裂纹、焊缝内部横向裂纹及焊缝背面微小的横向裂纹等,这些焊接缺陷的存在会造成拼板的使用性能(如抗拉强度、耐腐蚀性、抗疲劳性和结构稳定性等)严重下降,最终影响到船舶、钢桥结构的整体安全稳定性。而焊接温度场和残余应力场对焊接接头宏观、微观组织及焊接缺陷的形成起着至关重要的作用,实验测量耗时耗力,且无法获取温度场、流场及应力场的分布规律,因此本文采取数值模拟技术进行分析。本文主要进行了以下工作:(1)简要介绍了各种高效埋弧焊工艺及焊接数值模拟的研究现状。(2)在前人的研究基础上对单丝焊过程中熔池热源模型和外力模型进行适当改进,采用多个分布参数和作用位置不同的双椭球热源模型,考虑电磁力、重力、表面张力、浮升力、电弧压力、熔渣压力、熔滴撞击力及焊剂铜衬垫对熔池动态行为的影响,应用于三丝埋弧焊,建立了FCB法三维数学模型,采用CFD软件Fluent进行数值模拟,得到了FCB法焊过程中熔池温度场和流场的分布规律,得到了钢板表面和背面的HAZ宽度,以及焊缝的宏观凝固结晶方式,熔池断面尺寸及其凝固模式与实验结果吻合良好,验证了模型的准确性,为FCB法高效焊的研究提供理论与技术支持。(3)介绍了焊接热应力、残余应力相关理论知识,采用ANSYS软件,利用移动热源技术和生死单元技术模拟FCB法热源的移动和焊料填充过程,采用间接耦合法进行模拟计算,得到了FCB法焊接残余应力的分布规律,分析了其分布规律与FCB不同类型裂纹缺陷的联系,为实际工程减轻和消除FCB焊接缺陷提供理论指导。(4)计算了不同模型尺寸(长度、宽度)及工艺参数(焊接速度、尾丝间距)对FCB焊接残余应力分布的影响,为实际FCB焊接工艺的调整提供数据支持。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG445
【部分图文】：

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埋弧焊技术；于 20 世纪 50 年代才开始引进国内，此时的埋弧焊机基本靠进口国外的弧焊电源，直到 70 年代我国才开始正式生产国产的埋弧焊机。1.2.1 埋弧焊过程及其特点埋弧焊整套系统设施包括弧焊电源、自动化行走机构、送丝机构和焊枪组成。其焊接过程如图 1-1，大体如下：工件一般接弧焊电源的负极；导电嘴连接到电源正极；送丝机构在驱动装置的带动下开始转动，并带动与导电嘴接触的焊丝以一定的倾角送往工件接触准备引弧；焊机漏斗固定在小车上，随小车沿焊接方向行进的同时以一定的质量流率向待焊位置填充细颗粒状焊剂，形成具有一定厚度的焊剂层。电源电路接通后，处理好的待焊工件和焊丝之间通过接触形成高温电弧，电弧在连续的高温等离子体下剧烈燃烧，释放出大量的热量，一小部分热量用于熔化焊剂，通过冶金反应释放出保护气体，使熔池在保护氛围下发生冶金反应和凝固，防止焊缝被氧化以至于损失焊接质量；90%以上的热量被用于熔化工件形成熔池以及通过传导、对流和辐射散失到周围环境中去；焊剂和母材中的酸性和碱性氧化物在一定的碱度下形成复合物，这种复合物的

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械化自动化水平的提高，使得对多丝埋弧焊的研究迫在趋势已经成为了国内外焊接研究和应用的主题之一[6]，并后春笋般冒出，焊接材料对焊接热输入已经不再敏感，宽了限度，因此应用愈加广泛，其中以三丝应用最为广泛丝埋弧焊时的电源数目与焊丝数目之间的对应关系以及同，多丝焊又可以分为以下类别[5]：电源串列多弧埋弧焊1-2 所示，多电源串列多丝埋弧焊中每根焊丝之间是相互独的弧焊电源提供能量，由于该种焊接方法焊机间相互独工艺参数以及焊丝间距等都是可以独立调节的，因此多般而言，连接电源 1 的前引丝焊接电流设为最大，后续电弧电压则前引丝采用较低的数值，后续丝依次增加一于大的焊接电流而保证了电弧的挺度和渗透能力，低的稳定性并使电弧热的损失减少，很显然两参数的相互配合

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观组织与性能；由于电源间的相互独立，理论上串有任意数目，但是三丝以上的焊机结构十分复杂，最常用的当属三丝埋弧焊，串列三丝埋弧焊一般电丝和跟踪焊丝采用交流连接，并且通过控制相位两丝电弧对前丝电弧的磁偏吹作用。出于以上三丝度快以及熔池稀释率堪比单丝熔池的特性，该方法容器行业得到了广泛的使用。并列的多丝埋弧焊示，单电源并列的多丝埋弧焊是指多根焊丝经过同一导电嘴进行焊接的过程，这种方法多根焊丝共类比于单丝的粗焊丝，所不同的是，多根焊丝的各此可以控制熔池中的电流密度的分布；并且由于多，多形成共熔池，因此同等热输入情况下热流分布小，适合于薄板的快速焊接。

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