TIG-MAG复合热源厚板打底焊接焊缝成形的数值模拟

发布时间：2017-09-04 03:01

  本文关键词：TIG-MAG复合热源厚板打底焊接焊缝成形的数值模拟

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【摘要】：传统的厚钢板焊接主要采用多道焊,其中打底焊接是最重要的一道工序,决定了整个焊缝的质量,因此本文针对打底焊工序进行研究。厚板焊接方法主要有TIG焊和MAG焊：TIG焊电弧稳定,焊缝的成形性好,但焊接时效率较低；MAG焊效率高,但焊接过程中电弧不稳定,焊缝的成形性差。针对两种焊接方式的不足,TIG-MAG复合热源厚板焊接工艺可以发挥各自的优点,并实现高效高速的焊接,因此具有重要的研究意义。目前,TIG-MAG复合热源焊接工艺的研究主要采用试验的方法,即通过改变工艺参数,观察焊缝成形质量来优化工艺参数,而对于其过程物理机制方面研究较少。但复合热源焊接的工艺参数较多,仅通过实验的方式来优化工艺参数需要大量的人力和财力,采用“数值模拟+实验验证”是高效开发和优化TIG-MAG复合热源焊接工艺的有效途径。本文基于fluent软件,从传热学和流体动力学角度出发,建立了合理的TIG-MAG复合热源厚板打底焊接焊缝成形过程的三维瞬态数值分析模型。模型中采用简化的熔滴过渡模型来描述熔滴过渡,采用双椭球热源模型来描述热源,使用VOF方法追踪熔池内液态金属和空气两相的自由界面,从而确定焊缝的形状。研究重点考虑熔池内温度场和流体流动模式对焊缝成形的影响。模型综合考虑了熔滴热焓、电弧压力、表面张力以及熔池浮力对焊缝成形的影响,能够较准确的计算出焊缝成形的过程。本模型为TIG-MAG复合热源厚板焊接物理机制的研究及工艺参数的优化提供理论依据以及数据参考,具有工程应用价值和学术研究价值。利用所建立模型,对不同焊接条件下的焊接过程进行了计算,同时依据试验结果和模拟结果的对比,对模型进行了验证。根据计算得到的熔池内温度场和流体流场的分布,分析了其对焊缝成形的影响机制,得到了MAG焊接过程中未熔透和焊瘤缺陷形成时的流动模式。研究结果表明,相比于单MAG热源焊接,TIG-MAG复合热源焊接过程中,后置的TIG热源扩大了熔池长度,改变了熔池内液态金属的温度场以及流动模式,从而能够形成合格的背面余高和熔宽,有效防止了缺陷的产生。文章最后探讨了焊接速度对复合热源焊接焊缝成形过程的影响规律。研究表明,当焊速增加到750mm/min时,未焊透缺陷又重新产生。焊缝截面形状尺寸以及焊缝背面整体成形的模拟结果跟试验结果吻合较好,验证了模型的准确性。
【关键词】：TIG-MAG复合焊接 焊缝成形 数值模拟 流体流动
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG444
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 课题研究背景及研究意义9-10
• 1.2 厚板打底焊焊接工艺10
• 1.3 厚板打底焊焊缝成形过程10-11
• 1.3.1 打底焊接焊缝成形形貌10-11
• 1.3.2 流场对焊缝成形的影响11
• 1.3.3 数值模拟在焊接中的应用11
• 1.4 焊缝成形数值模拟的研究现状11-17
• 1.4.1 自由表面追踪技术12-13
• 1.4.2 焊缝成形数值模拟的国内研究现状13-15
• 1.4.3 焊缝成形数值模拟的国外研究现状15-17
• 1.5 主要研究内容17-19
• 2 TIG-MAG复合热源厚板打底焊接计算模型的建立19-30
• 2.1 TIG-MAG复合热源厚板打底焊接焊缝成形的数学模型19-22
• 2.1.1 MAG热源模型19-20
• 2.1.2 TIG热源模型20
• 2.1.3 简易熔滴过渡模型20-22
• 2.2 控制方程22
• 2.2.1 质量守恒方程22
• 2.2.2 能量守恒方程22
• 2.2.3 动量守恒方恒22
• 2.3 初始条件与边界条件22-24
• 2.3.1 初始条件22-23
• 2.3.2 边界条件23-24
• 2.4 三维模型的建立与网格的划分24-26
• 2.5 焊接材料热物性参数26-27
• 2.6 fluent中求解设置27-29
• 2.7 本章小结29-30
• 3 TIG-MAG复合热源打底焊接数值分析模型的验证30-35
• 3.1 TIG-MAG复合热源厚板打底焊接工艺30
• 3.2 TIG-MAG复合热源厚板打底焊接数值分析模型的验证30-34
• 3.3 本章小结34-35
• 4 TIG-MAG复合热源打底焊接焊缝成形过程的分析35-56
• 4.1 单MAG条件下焊缝成形形貌及其过程分析35-46
• 4.1.1 焊接电流为280A时焊缝成形过程的计算36-41
• 4.1.2 焊接电流为320A时焊缝成形过程的计算41-45
• 4.1.3 焊接电流对单MAG焊接焊缝成形过程的影响45-46
• 4.2 TIG-MAG复合热源条件下焊缝成形形貌及过程分析46-55
• 4.2.1 焊接条件4下焊缝成形过程的计算47-51
• 4.2.2 焊接条件5下焊缝成形过程的计算51-53
• 4.2.3 焊接条件6下焊缝成形过程的计算53-54
• 4.2.4 焊接速度对复合热源打底焊接焊缝成形过程的影响54-55
• 4.3 本章小结55-56
• 结论56-58
• 参考文献58-61
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况61-62
• 致谢62-63

【参考文献】

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本文编号：788920