电弧增材制造中电弧和熔池热质传递数值模拟

发布时间：2020-06-02 15:52

【摘要】：电弧增材制造技术是基于传统的焊接技术,主要的物理化学过程非常复杂,包括等离子弧燃烧、熔滴过渡、熔池流动和凝固以及复杂的热循环、应力应变等。这些宏观现象最终会影响微观组织的演变过程、晶粒形貌,从而影响成形件力学性能。为了实现结构件“控形”与“控性”并行制造的目标就必须探究电弧和熔池金属输运的内部机理,本文着重通过多物理场耦合数值计算的方法来解释其中的热质传递过程。本文通过合理的假设,建立了GTAW电弧的三维模型,并将模型导入到Fluent软件中进行求解。工艺条件为,焊接电流200A,焊接电压19V,焊丝半径1.6mm,送丝速度1.8m/min,焊接速度200mm/min,高纯氩气保护气(15.5L/min)。计算结果表明,电弧温度在18000K以上、电弧压力最大为900Pa、电弧等离子体流速最大为220m/s,电势差为9V(若考虑到鞘层区压降的作用,进行修正之后为20V左右,并且在等离子平衡状态下得到电磁力在X、Y正负方向上互相抵消)。高速摄像拍摄的电弧形貌与文中模拟的电弧轮廓大体相近,光谱法测得的电弧温度场分布规律和数值大小也与模拟的温度结果相同。在熔池金属输运模型中,采用与电弧模型相同的坐标系建立物理模型,且焊枪固定,金属流动。通过简化模型,将熔滴看成球状,并且以固定频率射入熔池的质量源,从而实现了质量输运。模型中需充分考虑多种因素的影响,包括电磁力、浮力、电弧压力等,还要考虑电弧的传热、熔滴的高温以及金属凝固过程的相变潜热,其中电弧的作用主要通过UDS插值和CSF方法加载到熔池模型中。最后结合自主编程,加载了上述综合的热力边界条件和气液两相的相互作用,得到了熔滴冲击下的焊道形貌及焊道表面和熔池的温度场分布(最大值为2200K)。最后通过红外摄像拍摄焊道的温度分布,得到的数值大小和模拟结果相同。本文基于实际模型,采用数值计算的手段,对电弧模型和金属输运模型中的传热传质的本质进行求解分析,揭示了其中的多物理场耦合结果,并且从热力学、流动力学、电磁学等多方面进行了机理研究,为今后的工艺优化以及零件的控形控性研究打下了基础。
【图文】：

华中科技大学硕士学位论文方面的缺陷，通过焊机起弧时候的观察很容易发现，它具有很大的飞溅产保护作用也较差，焊接完成时，表面不平整度增加。在后续的透射和力学研究中发现，块体中容易产生孔洞和残余应力，冷却之后还需要进行很长处理才能消除残余应力。因此，有必要对基于 GTAW 的电弧增材制造技的机理研究，研究内部的传热传质的物理本质，进而能够指导实际的生产目前，电弧增材制造技术适用于多种材料，包括常见的铁基、铝基材料以式较难成行的钛合金、高温合金等材料[26-27]。针对常见的缺陷，，研究人员焊接工艺参数、熔积模式以及材料性能，从而改善夹杂、气孔以及变形等缺1 为基于 GTAW 的电弧增材制造成形的典型零件。

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中科技大学硕士学位三维实体模型进行切片处理，通过软件切片系统再出一些精度较高的大型零件，相比之前有较大进步谢菲尔德大学大学在这方面有所创新，将电弧增材削减材技术相结合，可以提高零件的表面性能。同，进行多角度的堆积，这可以增加该技术的适用性
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG444

【参考文献】