纵向磁场作用下镁合金焊接电弧与熔池的传热及流动特性的研究

发布时间：2021-07-24 16:32

　　磁控焊接技术作为一种优化焊接工艺的方法通过对电弧与熔池施加外加磁场来改变电弧的能量分布以及熔池的流动与传热过程,对焊接质量的提高有着极为重要的作用。因此,采用科学的方法建立焊接电弧与熔池的数学模型,分析电弧在纵向磁场下的形态及能量分布以及熔池在电磁搅拌下的传热与流动特性,预测其对焊缝成形、熔池形貌的影响对实现焊接过程的智能化有着重要的理论意义与指导价值。本文基于能量守恒的基本原理,结合流体动力学方程和麦克斯韦方程组建立了GTAW二维轴对称电弧稳态模型与三维熔池瞬态模型。模拟了纵向磁场作用下镁合金焊接电弧与熔池的传热过程及流动特性,并采用无量纲分析法对熔池内浮力、自发电磁力、表面张力、外加电磁力等驱动力的相对作用强弱以及单独作用下对熔池形貌的影响进行了系统研究。通过完成合理的网格划分,设定合理的边界条件,编译复杂的源项程序后,采用SIMPLE系列算法对守恒方程进行求解,最后通过实验与已发表的文献数据来验证模型的合理性。模拟结果表明:施加外加纵向磁场后焊接电弧中心温度升高,等离子体流速下降,当纵向磁场强度达到0.03T时,高速旋转的电弧在其根部产生径向扩张和中心空洞,造成沿轴线的正压力梯度... 

【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省

【文章页数】：87 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景与研究意义
    1.2 电磁控制焊接过程的研究进展
    1.3 电磁控制GTAW焊接过程的数值模拟研究进展
        1.3.1 焊接电弧的模拟研究现状
        1.3.2 焊接熔池的模拟研究现状
        1.3.3 焊接电弧-熔池耦合模型的研究现状
    1.4 本文研究的主要内容
第2章 纵向磁场作用下焊接电弧与熔池模型
    2.1 二维稳态轴对称电弧等离子体模型的建立
        2.1.1 柱状坐标系下的控制方程组
        2.1.2 源项的处理
        2.1.3 求解域的建立与边界条件
        2.1.4 网格划分
        2.1.5 材料热物性参数
    2.2 三维瞬态焊接熔池模型的建立
        2.2.1 笛卡尔坐标系下的控制方程组
        2.2.2 源项的处理
        2.2.3 求解域的建立与网格划分
        2.2.4 边界条件
        2.2.5 材料热物性参数
    2.3 数值模拟的算法与程序
第3章 纵向磁场对焊接电弧行为的影响
    3.1 纵向磁场对电弧等离子体的温度场与流场的影响
    3.2 纵向磁场作用下的电弧物理特性
        3.2.1 电弧内部的电流密度与电势分布
        3.2.2 电弧-熔池界面的电流密度与热流密度分布
        3.2.3 电弧内部与电弧-熔池界面的电弧压力分布
    3.3 纵向磁场对焊接热效率的影响
第4章 纵向磁场对焊接熔池传热与流动特性的影响
    4.1 纵向磁场作用下焊接熔池的温度场与流场
        4.1.1 自由电弧下熔池的温度场与流场
        4.1.2 LMF强度为0.01T时熔池的温度场与流场
        4.1.3 LMF强度为0.02T时熔池的温度场与流场
        4.1.4 LMF强度为0.03T时熔池的温度场与流场
    4.2 纵向磁场作用下驱动力对熔池形貌的影响
        4.2.1 表面张力(Marangoni对流)
        4.2.2 自发电磁力
        4.2.3 浮力
        4.2.4 外加电磁力
    4.3 熔池内驱动力的无量纲常数分析
第5章 电弧与熔池模型的验证
    5.1 电弧等离子体模型的验证
        5.1.1 电弧弧根变化与温度场的验证
        5.1.2 等离子体流速的验证
        5.1.3 电弧压力的验证
        5.1.4 电流密度的验证
    5.2 焊接熔池模型的验证
第6章 结论
参考文献
在学研究成果
致谢



本文编号：3301018