窄间隙摆动焊炬GMAW温度场特性研究

发布时间：2020-08-15 15:46

【摘要】：窄间隙熔化极气体保护焊是一种高效的焊接技术,为了得到焊接成形质量良好的焊缝,实际生产中,采用摆动电弧的焊接工艺来进行窄间隙焊接。由于窄间隙焊缝坡口的特殊性,在焊接过程中极容易发生侧壁不熔透和成形质量差等焊接缺陷。针对这一问题,通过研究其焊接温度场,可以优化焊接参数的选择,改善其焊接质量。为了通过有限元模拟的方法得到更精确的温度场结果,焊接热源模型的选择成为了很关键的一步。通过分析摆动电弧窄间隙焊接过程中的电弧摆动过程,进行等效热源模型研究,初步采用等效热源模型进行数值模拟,得到其温度场特性。考虑摆动电弧发生磁偏吹对侧壁的影响,结合高斯热源模型和双椭球热源模型的推导过程,建立了一个考虑侧壁熔合的新的热源模型。同时,分别考虑了多层单道焊情况下不同层焊的情况,建立了基于第一层焊的复合热源模型和基于第二、三、四层焊的复合热源模型。为了验证热源模型的合理性,通过COMSOL有限元仿真软件,采用新的复合热源模型,考虑温度、对流、辐射和相变潜热对材料物理性能的影响,对摆动电弧窄间隙MAG焊进行温度场仿真计算。与此同时,通过实际的试验,得到焊缝截面情况,与温度场仿真结果的侧壁截面情况进行比对,发现两者侧壁熔深情况基本吻合,为后续对焊缝成形影响的进一步研究奠定了基础。通过对摆动电弧窄间隙MAG焊的温度场仿真,对其温度场情况进行了分析,对其热循环曲线也进行了规律性探讨。通过对比不同热源模型下的温度场情况,发现新的热源模型比较适用;通过对比不同坡门的温度场情况,发现U型坡口的侧壁融合情况更好。此研究为后续对焊缝成形影响的进一步研究奠定了基础。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG444.72
【图文】：

不仅仅是一个单纯随时间变化的公式，而且还代表了在空间中随不同的因素发生逡逑变化，闲此对焊接热过程的数学描述非常的复杂。为了便丁－理解和计算，将物体逡逑分割成无数个微元0行六面体，如图１－２所示，分析其热量输入和输出，最后可逡逑以得到导热微分方程。逡逑ｔ．邋ｉ逡逑Ｑｉ－？逡逑一一＿卑逡逑0？邋＾邋｜逡逑逦１—逡逑逦逡逑Ｑ．－ｄ，逡逑Ｉ邋Ｑ，逡逑ｘ逡逑Ｖ逡逑．ｊ逡逑图１－２微元平仃六而体逡逑任意方向的热流量都可以分成在ｘ、ｙ、Ｚ方向的分热量，再依据能量守恒定逡逑律和傅立叶定理，得到非线性瞬态热传导问题的控制方程：逡逑ｐｃ——＝—Ａ——邋＋——邋Ａ——邋＋——邋Ａ——Ｈ－0逦Ｃ邋１－１；逡逑ｄｉ邋ｄｘ＼邋ｄｉ邋Ｊ邋ｄｙ＼邋ｄｉ邋Ｊ邋ｄｚ＼邋ｄｔ邋Ｊ逡逑式屮，／？＞为材料的密度［ｋｇ／ｍ３］，邋ｃ为材料的比热容［Ｊ／（ｋｇ＊Ｋ）］，所以／ｘ？就代表逡逑６逡逑

西安交通大学,流程,温度场

逡逑计算流程如图１－３。逡逑前处理程序逡逑＇；｜逡逑单元计兑程序＾单兀＿ｒ？程序逡逑方程组求解程^佸义希妫诲五义虾蟠砑扑愠绦蝈义虾蟠沓绦蝈义贤迹保承邢拊扑懔鞒体义显诠冢兰桶耸甏迹靼步煌ù笱У奶颇揭⒌热肆葡炔捎糜邢掊义显ǚ治隽吮“搴附樱扑懔似湓谧嘉忍碌奈露瘸∏榭觯郑婧螅颇揭⒑湾义喜毯槟艿热硕裕裕桑呛肝露瘸〗辛搜衃偅赌饬说缁≡谠硕讨械娜附渝义衔露瘸∏榭觯贸隽艘幌盗锌悸侨褥实募扑愎蹋扑憔冉细撸扑愫蟮贸鲥义系模裕桑呛附尤鄢氐男巫础⒊叽绾腿扔跋欤桑氐奈露确植加胧导适匝榻峁鸗以吻合｜３４１。逡逑西安交通大学的段权、张新国等人利用有限７Ｃ方法对焊接接头的非线性热传导问逡逑题进仃了研究，通过分析其计算后得到的焊接热循环丨卩丨线，发现如果采用线性方逡逑法ｉＩ筇温度场，那么对于金属发生相变的温度附近偏差会非常大，所以研究焊接逡逑接头的温度场分布惜况就一定要考虑其材料热传ｙ？？参数的非线性特征｜３５１。逡逑在二十一世纪，哈尔滨Ｔ．业大学的孟庆Ｗ等人％１和上海交通大学的徐济进１３７１逡逑等人在进行三维温度场有限元模拟时

热源模型,带状

热源的基础上，利用能景守恒原理，推导出了一个带状的热源模型｜４＜＞｜。并利用逡逑该模型模拟真实的摆动焊接过程的温度场，发现模拟结米和测量结见能够吻合。逡逑原理如下图１－４所示，将热源假想成一带沿着焊缝长度方向向前移动的双椭球热逡逑源，这样就可以只计算沿一个方向的运动，简化了丨十算。其推导过程有一个前提逡逑条件，电弧的摆动速度需要远大于焊接速度。逡逑／邋／逡逑／邋７邋义／逡逑／逦＾逦／逡逑／邋ｚ逦／邋／逡逑／逦ｒ邋叫邋Ｉ逡逑／逦ｊ逡逑／逦／逡逑图１－４带状热源模型逡逑该带状模型的表达式为逡逑ｔ／（ｊｒ、ｖ’ｚ）邋＝邋４（０）ｅｘｐ（－办：一份：）逦（】－７）逡逑０邋＜邋ｚ邋＜邋人逡逑式中：ｑ邋（Ｘ，ｙ，邋ｚ）为热流密度分布闲数，ｑｌ（０）为中心处最大热流密度值。经过逡逑一系列推导，可以得到假想的热源模型为逡逑１０逡逑

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