热丝穿孔型等离子弧焊接热—力耦合模型的研究

发布时间：2017-08-13 10:37

  本文关键词：热丝穿孔型等离子弧焊接热—力耦合模型的研究

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【摘要】：穿孔型等离子弧焊接是一种高效的焊接方法,因其能不开坡口一次焊透较厚的工件而受到人们的重视。当加入热丝填充之后,强大的等离子电弧压力产生的熔池上表面下榻以及咬边等缺陷就会得到很好的弥补。所以深入分析穿孔型等离子弧焊作用机理,研究焊接过程中小孔熔池的变化过程以及熔滴对小孔的影响,对穿孔型等离子弧焊接工艺的发展具有深远的理论指导意义。本文首先进行了穿孔型等离子弧焊接工艺试验,利用高速摄像的方法拍摄了不同工艺参数条件下工件背面小孔在焊接时的演变过程。通过分析发现在其他参数不变的条件下,焊接电流120A为等离子弧焊接持续穿透6mm厚度304不锈钢的临界电流。以工艺试验为依托,分析了穿孔过程能量分配规律,提出了随穿孔深度增加,能量逐渐衰减的热-力耦合模型,衰减规律随穿孔深度二次变化。利用此模型计算模拟了不同焊接工艺参数下穿孔型等离子弧焊接穿孔过程,得到了不同时刻熔池的流动状态及小孔形状尺寸变化,通过对比发现计算结果与实际结果基本吻合,并对现有模型进行研究,对比得出现有模型与改进后模型的优缺点,为后续研究奠定了基础。另外,本文对热丝填充穿孔型等离子弧焊接工艺过程进行研究,采用0.5m/min与1.0m/min两种不同的送丝速度对304奥氏体不锈钢进行时间递增的多次焊接,得到了不同时刻熔深及熔宽尺寸。对熔滴过渡进行高速摄像,分析发现熔滴过渡方式为搭桥过渡,并得到了熔滴过渡频率以及熔滴的尺寸等。通过深入分析建立了加入热丝之后的热力耦合模型,通过计算模拟得到了熔滴过渡对小孔和熔池的影响,最后通过实验验证了计算模型的正确性。在建立热-力耦合模型的基础上,通过对热丝穿孔型等离子弧焊小孔动态过程演变的研究,获得了填充热丝对焊接熔池及小孔的影响规律,为推广穿孔型等离子弧焊接在工程实践中的应用打下良好基础,并对其工程生产具有较强的理论指导意义。
【关键词】：热力耦合模型 小孔 熔池 流场
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG456.2
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景与意义13-14
• 1.2 穿孔型等离子弧焊接工艺特点14-16
• 1.3 热丝穿孔型等离子弧焊工艺16-17
• 1.4 穿孔型等离子弧焊接数值模拟研究现状17-19
• 1.4.1 温度场计算模型17
• 1.4.2 基于小孔尺寸的数学模型17-18
• 1.4.3 其他深熔焊的研究18-19
• 1.5 熔滴过渡的数值模拟19-20
• 1.6 VOF界面追踪模型20
• 1.7 目前存在的问题及本文研究内容20-21
• 第2章 穿孔型等离子弧焊接实验21-33
• 2.1 实验设备及材料21-22
• 2.2 工件背面小孔图像采集系统22-23
• 2.3 小孔尺寸标定23-24
• 2.4 小孔边界提取24-30
• 2.4.1 不同电流焊接时小孔边界25-26
• 2.4.2 随焊接时间变化的小孔演变过程26-30
• 2.5 低于临界电流的小孔演变过程30-31
• 2.6 本章小结31-33
• 第3章 穿孔型等离子弧焊接热-力耦合模型33-57
• 3.1 物理模型33
• 3.2 VOF模型33-34
• 3.3 控制方程组34-36
• 3.4 初始条件与边界条件36-37
• 3.5 表面张力37-38
• 3.6 浮力38
• 3.7 热源模型38-39
• 3.8 网格划分39-40
• 3.9 不同焊接电流条件的小孔演变过程40-54
• 3.9.1 电流为 120A时的小孔尺寸与熔池流场40-45
• 3.9.2 电流为 130A时的小孔尺寸与熔池流场45-49
• 3.9.3 电流为 140A时的小孔尺寸与熔池流场49-54
• 3.10 实验验证54-55
• 3.11 本章小结55-57
• 第4章 K-PAW热-力耦合模型优化57-65
• 4.1 热-力耦合模型优化57-59
• 4.1.1 热源模型能量分配的修正57-58
• 4.1.2 电弧压力的修正58-59
• 4.2 电流 140A时优化模型穿孔过程59-63
• 4.2.1 不同优化系数下的穿孔时间60-62
• 4.2.2 最优参数下不同深度的小孔尺寸62-63
• 4.3 本章小结63-65
• 第5章 热丝穿孔型等离子弧焊接实验65-75
• 5.1 焊接不同时刻穿孔深度65-72
• 5.1.1 送丝速度 0.5m·min-1 不同时刻穿孔深度66-70
• 5.1.2 送丝速度 1.0m·min-1 不同时刻穿孔深度70-72
• 5.2 不同送丝速度条件下的熔滴过渡72-74
• 5.2.1 送丝速度为 0.5m·min-1 的熔滴过渡72-73
• 5.2.2 送丝速度为 1.0m·min-1 的熔滴过渡73-74
• 5.3 本章小结74-75
• 第6章 熔滴与小孔热-力耦合模型75-83
• 6.1 物理模型75
• 6.2 热丝计算模型75-78
• 6.2.1 焊丝加热模型76-77
• 6.2.2 熔滴受力模型77-78
• 6.3 不同送丝速度的小孔演变过程78-82
• 6.4 本章小结82-83
• 结论83-84
• 参考文献84-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文88-89
• 致谢89-90
• 附录 190-91
• 附录 291

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张涛;武传松;;穿孔等离子弧焊接热场和流场的数值模拟[J];焊接学报;2011年07期

2 胥国祥;武传松;秦国梁;王旭友;林尚扬;;激光+GMAW复合热源焊焊缝成形的数值模拟 Ⅲ．电弧脉冲作用的处理与热源模型的改进[J];金属学报;2009年01期

3 张涛;武传松;陈茂爱;;穿孔等离子弧焊接熔池流动和传热过程的数值模拟[J];金属学报;2012年09期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 殷凤良;等离子弧焊接过程的数值模拟[D];天津大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 刘达樊;CO_2激光-MIG复合热源焊接熔滴过渡的行为分析[D];哈尔滨工业大学;2006年

2 郑伟;等离子弧热—力作用随穿孔过程的实时调整[D];山东大学;2013年

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本文编号：666876