水下湿法FCAW熔池、气泡和电弧动态演变过程的数值分析

发布时间：2021-04-02 08:08

　　水下湿法药芯焊丝电弧焊接（简称水下湿法FCAW）是一种操作简便、适应性好、生产效率高、成本低廉的水下工程结构制造和修复技术。在当今水下工程结构数量越来越多、体量和复杂性不断上升的趋势下,它具有良好的应用前景。但是,水下湿法FCAW工艺过程中,电弧、熔滴、气泡、熔池和水在数十毫米的狭小空间尺度内相互作用,涉及的物理和化学现象复杂,导致焊接过程稳定性差、调控困难。目前,该工艺还难以保证焊缝成形的质量和接头性能的可靠性,限制了其在重要结构制造中的应用。深入了解水下湿法FCAW工艺涉及的物理现象和过程规律,分析水下湿法FCAW过程中熔池流动与传热行为、气泡与电弧的动态演变以及电弧-气泡间的相互作用,有助于对该工艺过程的调控和优化提供理论支撑,具有重要意义。搭建了水下湿法FCAW物理过程检测平台。实时采集了水下湿法FCAW过程中的电弧电压和焊接电流波形。通过视觉检测系统拍摄了熔滴过渡、气泡动态变化以及电弧状态的高帧率图像。使用热电偶检测了工件的热循环曲线,提出了改进的红外测温系统。获得了典型工艺条件下的焊缝成形。基于上述实验数据,初步分析了水下湿法FCAW工艺过程的特点以及水环境对其的影响。从热... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：204 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第1章 引言
    1.1 选题意义
    1.2 水下焊接研究概况
        1.2.1 水下干法电弧焊
        1.2.2 水下激光焊
        1.2.3 水下摩擦焊
        1.2.4 水下湿法焊接
    1.3 水下湿法FCAW研究概况
        1.3.1 水下湿法FCAW工艺的特点
        1.3.2 水下湿法FCAW工艺过程的调控与改善
    1.4 水下焊接过程数值模拟的研究概况
        1.4.1 水下焊接热传导及应力变形
        1.4.2 水下局部干法焊接排水过程
        1.4.3 水下焊接电弧
    1.5 当前研究存在的问题及本文主要工作
第2章 水下湿法FCAW物理过程检测
    2.1 水下湿法FCAW物理过程检测平台
        2.1.1 焊接实验单元
        2.1.2 电参数实时采集单元
        2.1.3 视觉检测单元
        2.1.4 红外测温装置
        2.1.5 热电偶测温装置
    2.2 气泡动态行为
    2.3 熔滴过渡及电弧行为
    2.4 焊缝成形尺寸及特征
    2.5 红外测温装置的改进
    2.6 热电偶测温结果
    2.7 本章小结
第3章 水下湿法FCAW热传导过程的数值模拟
    3.1 水下湿法FCAW热传导数值模型
        3.1.1 计算区域及网格划分
        3.1.2 控制方程及求解方法
        3.1.3 边界条件和初始条件
        3.1.4 相变的计算方法
        3.1.5 FCAW热源模型
        3.1.6 水下湿法FCAW模型的优化
        3.1.7 工件热物性参数
    3.2 计算结果与讨论
        3.2.1 水下湿法FCAW与陆上FCAW温度场的差异
        3.2.2 水深对水下湿法FCAW焊接的影响
        3.2.3 水流速度对水下湿法FCAW焊接的影响
    3.3 实验验证
    3.4 本章小结
第4章 水下湿法FCAW熔池流动与传热过程的数值模拟
    4.1 水下湿法FCAW熔池流动与传热模型
        4.1.1 计算区域及网格划分
        4.1.2 VOF模型
        4.1.3 控制方程组
        4.1.4 熔渣设置
        4.1.5 动量方程源项
        4.1.6 边界条件
        4.1.7 焊接工艺参数及材料热物性参数
    4.2 熔池受热受力分布
    4.3 熔滴冲击过程
    4.4 熔池动态演变
    4.5 熔渣的影响
    4.6 实验验证
    4.7 本章小结
第5章 水下湿法FCAW电弧与气泡动态演变过程的数值模拟
    5.1 水下湿法FCAW电弧及气泡的特点
    5.2 水下湿法FCAW电弧及气泡数值模型
        5.2.1 模型的简化与假设
        5.2.2 计算区域
        5.2.3 气—水两相界面的“VOF+Level-Set”耦合处理
        5.2.4 控制方程组
        5.2.5 电磁场耦合方程组
        5.2.6 边界条件
        5.2.7 求解流程与电弧产热的修正
        5.2.8 PISO数值算法
        5.2.9 水下电弧的物性参数
    5.3 模拟结果与分析
        5.3.1 电弧气泡形貌的动态演变
        5.3.2 气泡动态演变的实验验证
        5.3.3 电弧及气泡内的流场分析
        5.3.4 电弧温度场动态过程
        5.3.5 电弧热流密度与电流密度
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间已发表的论文
攻读博士学位期间参与的科研项目
附件
学位论文评阅及答辩情况表



本文编号：3114923