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焊接熔池相变传热特性及流体动力学分析

高建成  
【摘要】: 焊接过程是一个涉及到传热传质、金属的熔化与凝固的复杂过程,焊接热源的能量分布以及焊接熔池中的流体流动及其传热过程对焊接质量有着极为重要的影响。采用科学的方法建立焊接熔池和焊接电弧的数学模型,定量地分析焊接熔池中流场与温度场,描述焊接熔池中的相变传热及流体流动特性,分析焊接热源的形态及能量分布,对实现焊接过程的自动化控制有重要的实际和理论意义。本文以焊接工艺为研究背景,以Fluent软件为计算平台,在总结前人的成果基础上,分析了金属相变传热过程以及流体流动特性对焊接熔池形成的影响。文中对材料热物性参数的温度依赖性、熔化潜热以及工件表面换热系数等参数的影响进行了理论分析以及数值模拟分析。 (1)用高斯热源模型建立了运动电弧热源模型,分析了焊接工艺参数对温度场的影响,计算结果表明,随着焊接电流的增大或焊接速度的减小,熔池体积增加,熔宽和熔深都增大。随着焊接速度的提高,熔池近熔合线区温度梯度增大,熔池深宽比减小。 (2)焊缝和热影响区金属组织的变化,除了金属本身的冶金因素之外,还决定于焊接热循环。某点所经历的加热速度、加热的最高温度、高温停间和随后的冷却速度都决定着该点的组织和性能。随着焊接速度的提高,熔池近熔合线区温度梯度增大,热影响区也随之变小。 (3)分析了在熔池形成过程中,熔池内金属熔体的流动情况对熔池发展的影响;并在熔池形成过程中考虑了惯性力、热浮力、表面张力等因素的影响。在焊接热源作用下,在热源中心附近其熔体的表面温度最高,偏离熔池中心区域越远,熔体的表面温度越低。这样由于熔池内温度分布不均匀,造成表面张力大小不等,温度越高的地方表面张力越小,这种表面张力差驱使液体从低表面张力区流向高表面张力区,而这样流动的结果又使液面产生了高度差,在重力作用下,熔体重新回流,形成对流。 (4)以激光焊接过程为研究对象,运用数值模拟方法分析了运动热源作用下激光深熔焊接熔池行为,研究了激光熔焊工艺参数对焊接熔池行为的影响。基于固液界面的不稳定性,引入固液界面非均匀系数,对激光焊接过程中金属汽化现象进行了分析。


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