基于TIG焊的激光-TIG复合等离子体的模拟研究

发布时间：2017-05-20 00:14

  本文关键词：基于TIG焊的激光-TIG复合等离子体的模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：激光-电弧复合焊是一种全新、高效的焊接技术。因焊接的模拟环境含有多物理场的耦合,如电、磁、流场等,非常复杂。本文应用ANSYS软件,模拟了YAG/CO2激光-TIG同轴复合等离子体,并得出以下结论。依照磁流体力学理论,使用ANSYS有限元软件,建立三维TIG单弧焊模型。研究分析焊接电流、气流量和弧长等工艺参数对TIG电弧的影响,求得电场、磁场、流场条件下的计算结果:随着焊接电流的增加,电弧电流密度、磁感应强度、电磁力、电弧温度和等离子体流动速度均逐渐升高,并呈均匀变化趋势;随着气流量的增加,电弧向内发生收缩,电弧温度有些降低,而电弧等离子体流动速度升高;随着电弧弧长的增加,电弧等离子体流动速度有增加,而电弧的温度有降低。通过采用激光表面高斯热源模型,得出激光照射到母材表面的温度分布云图;通过激光的逆轫致辐射作用,模拟出阳极上方的激光等离子体的温度分布。在TIG焊模型的基础上,建立激光-TIG同轴复合模型。根据YAG/CO2激光穿过电弧的能量变化规律,计算YAG/CO2激光-TIG复合等离子体特性。与TIG单弧焊相比,因激光的加入,YAG激光-TIG复合等离子体的高温区分布于阴极和阳极附近两个区域,其电流密度也主要集中于阴极区和阳极区附近,流动速度呈上升趋势,且在阳极表面呈涡旋状;而CO2激光-TIG复合等离子体的高温区沿电弧弧柱中心轴线分布,电流密度在沿弧柱中心轴线方向很密集,流动速度在弧柱区域呈明显增大趋势。最后,综述了本文的重点内容和重要结论,概述激光-电弧复合等离子体模拟时碰到的一些问题,及之后模拟的发展趋向。
【关键词】：激光-TIG复合模型 ANSYS软件 温度场 等离子体
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG44
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 激光-电弧复合焊接技术及特点10-11
• 1.1.1 激光-电弧复合焊接技术10-11
• 1.1.2 激光-电弧复合焊接特点11
• 1.2 激光-电弧复合类型11-13
• 1.3 激光-电弧复合作用机理13-14
• 1.4 激光-电弧复合焊模拟热源模型及应用14-19
• 1.4.1 电弧部分热源模型14-15
• 1.4.2 激光-TIG/GMAW复合热源模型及数值模拟应用15-19
• 1.5 本课题研究的主要内容和意义19-21
• 第二章 激光-TIG复合等离子体理论及有限元分析21-30
• 2.1 等离子体基础理论21
• 2.2 传热学理论描述21-23
• 2.2.1 热传导22
• 2.2.2 对流22-23
• 2.2.3 热辐射23
• 2.3 流体动力学理论方程23-26
• 2.3.1 电磁场方程24
• 2.3.2 流体力学方程24-26
• 2.4 数值方法26-27
• 2.4.1 有限差分法26
• 2.4.2 有限体积法26-27
• 2.4.3 有限元法27
• 2.5 有限元模拟软件27-29
• 2.5.1 有限元软件分类27-28
• 2.5.2 ANSYS有限元软件28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第三章 不同参数下TIG电弧等离子体模拟分析30-45
• 3.1 基本假设和控制方程30-32
• 3.1.1 电弧模型假设条件30
• 3.1.2 控制方程30-32
• 3.2 氩气物理参数32-33
• 3.3 计算区域、网格划分及求解思路33-35
• 3.3.1 计算区域33-34
• 3.3.2 网格划分34-35
• 3.3.3 求解思路35
• 3.4 边界条件35-36
• 3.4.1 电场边界条件35-36
• 3.4.2 磁场边界条件36
• 3.4.3 流场边界条件36
• 3.5 影响电弧特性的因素36-44
• 3.5.1 基本参数的选择36
• 3.5.2 焊接电流对电弧等离子体模拟影响36-41
• 3.5.3 气流量对电弧等离子体模拟影响41-43
• 3.5.4 弧长对电弧等离子体模拟影响43-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第四章 激光焊接热源模型加载理论45-52
• 4.1 激光焊分类及特点45-47
• 4.1.1 激光焊的分类45-46
• 4.1.2 激光焊的特点46-47
• 4.2 激光器的分类及应用特性47
• 4.3 两种波长作用下激光吸收率的分析47-51
• 4.3.1 母材表面温度分布48-49
• 4.3.2 YAG激光等离子体温度分布49-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第五章 激光-TIG复合等离子体模拟分析52-61
• 5.1 激光-TIG复合电弧模型52-54
• 5.2 YAG激光-TIG复合等离子体模拟54-57
• 5.2.1 温度场模拟结果54
• 5.2.2 电场模拟结果54-56
• 5.2.3 速度场模拟结果56-57
• 5.3 CO_2激光-TIG复合等离子体模拟结果57-59
• 5.3.1 温度场模拟结果57-58
• 5.3.2 电场模拟结果58-59
• 5.3.3 速度场模拟结果59
• 5.4 TIG焊、YAG/CO_2激光-TIG复合焊等离子体的比较59-60
• 5.5 本章小结60-61
• 第六章 全文总结和发展趋势61-64
• 6.1 全文总结61-62
• 6.2 激光复合焊模拟中的问题及发展趋势62-64
• 参考文献64-69
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果69-70
• 致谢70-71

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