用于调控高速GMAW熔池后向液体流的外加电磁场数值分析

发布时间：2017-08-21 02:23

  本文关键词：用于调控高速GMAW熔池后向液体流的外加电磁场数值分析

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【摘要】：当GMAW焊接速度高于一定的临界值时,会出现驼峰焊道成形缺陷。国内外学者研究发现,高速GMAW焊接时熔池内动量很大的后向液体流是驼峰焊道形成的主要原因。因此,通过主动向熔池施加外部磁场,利用焊接电流与外加磁场作用产生指向熔池前方的附加电磁力,对熔池中后向液体流的动量和流态加以调控,从而抑制或消除驼峰焊道缺陷。为了探究外加磁场对高速GMAW焊接电弧行为和熔池流态的调控机理,本文对焊接过程中的外加磁场和附加电磁力开展数值模拟。首先,根据外加励磁装置的布置方式,建立了焊前工件上外加磁场的三维模型,计算了不同励磁参数下工件上外加电磁场的分布,并给予实验测量值进行验证。然后,针对焊接过程中工件材料(Q235b)的铁磁性质,提出热-磁耦合分析方法,实现熔池内外加电磁场的数值计算。耦合场模拟结果表明：高速焊过程中,外加磁场主要以横向磁场分布在熔池区和电弧区；在焊接工件上,电弧直接加热的区域磁感应强度较低,而熔池前缘以外工件区域的磁感应强度较高。为此,对外加磁场的作用位置进行调整,提出了选择合适磁弧间距的方法,以保证在熔池适当区域内磁感应强度满足调控要求。根据GMAW电弧区图像,建立了外加磁场作用下焊丝端头的导电液流束的偏转模型；结合外加磁场在电弧区的分布情况,计算了不同工艺条件下电弧和液流束偏离焊丝中心的位移以及偏转角度。并通过数字图像处理的方法得到焊丝端头液流束偏转的测量值,对计算结果进行验证。对外加磁场作用下焊接熔池受力分析,分别给出了熔池中附加电磁力计算模型和哈特曼效应计算模型。在综合考虑热-磁耦合和焊丝端头液流束偏转的基础上,计算了熔池中影响熔池流动的两种电磁体积力的分布。数值计算结果表明：熔池中附加电磁力的值远远大于哈特曼电磁力；在熔池流态调控的分析中,可以忽略哈特曼电磁力的影响,以纵向附加电磁力Fcx的调控为主。开展了磁控高速GMAW实验和下坡高速GMAW实验,实验中励磁电流为8.7 A的励磁条件下产生的附加电磁力与15°下坡焊实验中熔池液体金属的重力分量,对熔池后向液体流的减缓作用相同,都可以抑制在2.37 m/min焊接速度下产生的驼峰焊道。但是,下坡焊是人为故意设置的焊接条件,实际焊接生产中不可能在任意情况下都有下坡焊的条件,而外加磁场却是简便易行的熔池流态调控手段,有宽广的工艺适用性。
【关键词】：高速GMAW 外加磁场 热-磁耦合 附加电磁力 电弧偏转 熔池后向液体流调控
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG444.72
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第1章 前言15-31
• 1.1 选题意义15-16
• 1.2 研究现状16-29
• 1.2.1 高速GMAW驼峰焊道的形成机理16-18
• 1.2.2 外加磁场调控焊接过程18-23
• 1.2.3 高速GMAW焊接过程数值模拟23-24
• 1.2.4 外加磁场调控焊接过程的数值模拟24-29
• 1.3 本文主要内容29-31
• 第2章 焊前工件上的外加电磁场数值计算31-43
• 2.1 外加磁场调控的高速GMAW焊接实验系统31-32
• 2.2 外加电磁场数值计算模型32-35
• 2.2.1 电磁场建模与网格划分32-34
• 2.2.2 电磁场控制方程及边界条件34-35
• 2.3 焊前工件上的外加磁场分布35-41
• 2.3.1 工件上的外加磁场计算结果36-38
• 2.3.2 励磁参数对外加磁场分布的影响38-40
• 2.3.3 磁场测量结果与计算结果对比40-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 焊接过程中热场-外加电磁场的耦合计算43-59
• 3.1 热-磁耦合场计算方法43-45
• 3.2 高速GMAW焊接温度场的计算模型45-48
• 3.2.1 网格划分45-47
• 3.2.2 控制方程与边界条件47-48
• 3.3 热-磁耦合场计算结果48-50
• 3.4 熔池内的外加磁场分布50-55
• 3.5 电弧区域的外加磁场分布55-58
• 3.5.1 电弧区域的外加磁场计算结果55-56
• 3.5.2 励磁参数对电弧区域外加磁场分布的影响56-58
• 3.6 本章小结58-59
• 第4章 外加磁场对电弧与熔滴过渡行为的影响59-73
• 4.1 外加磁场造成的电弧偏转59-61
• 4.2 焊丝端头液流束的偏转模型61-63
• 4.3 基于液流束图像的特征参数提取63-66
• 4.4 液流束偏转模型的实验验证66-69
• 4.5 励磁参数对液流束偏转的影响69-70
• 4.6 本章小结70-73
• 第5章 外加磁场对熔池流态的调控73-95
• 5.1 熔池电磁力的分析73-75
• 5.2 熔池内附加电磁力的计算模型75-77
• 5.3 哈特曼效应计算模型77-81
• 5.4 熔池内附加电磁力计算结果分析81-89
• 5.4.1 熔池内附加电磁力的分布81-85
• 5.4.2 磁弧间距对附加电磁力的影响85-87
• 5.4.3 励磁电流对附加电磁力的调控87-89
• 5.5 外加磁场调控熔池流态的实验验证89-93
• 5.5.1 高速GMAW焊接工艺实验89-91
• 5.5.2 下坡焊工艺实验91-93
• 5.6 本章小结93-95
• 第6章 结论和展望95-97
• 6.1 结论95
• 6.2 展望95-97
• 参考文献97-103
• 致谢103-104
• 攻读硕士学位期间发表的论文104-105
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目105-106
• 附件106

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前8条

1 江淑园;郑晓芳;;TIG焊外加磁场的ANSYS模拟[J];上海交通大学学报;2008年S1期

2 江淑园;张学武;陈焕明;;外加纵向磁场对GTAW焊接不锈钢接头宏观形貌及组织的影响[J];上海交通大学学报;2010年S1期

3 张伟强;赵雷;;外加磁场对2.25Cr-1Mo钢焊接接头组织和性能的影响[J];热加工工艺;2008年19期

4 张学武;江淑园;代巍;;外加纵向磁场对CO_2焊短路过渡频率的影响[J];热加工工艺;2009年01期

5 罗键;赵国际;王向杰;覃玲萍;;外加纵向磁场GTAW平板堆焊温度场数值模拟与验证[J];热加工工艺;2010年03期

6 田国华;李华;王琴慧;;基于MIG/MAG的环缝焊机焊枪运动控制机构设计及运动特性研究[J];热加工工艺;2011年23期

7 刘政军;陆璐;苏允海;雷康;;纵向磁场对TIG焊电弧形态的影响[J];沈阳工业大学学报;2015年01期

8 黄道业;;外加径向恒定磁场对超高强度合金钢30CrMnSiNi2A电阻点焊接头力学性能的影响[J];热加工工艺;2015年11期

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本文编号：710282