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全熔透TIG焊接熔池形态瞬时行为的数值模拟

赵朋成  
【摘要】:建立焊接熔池表面变形动态行为与工件熔透程度的相关性,定量分析熔池熔透瞬间熔池上下表面变形及其对焊接工艺参数的动态响应,将为实现基于正面视觉的TIG焊接熔透控制提供指导性的基础数据。本文从统一、整体的观点,较全面地描述了运动电弧、三维流场和热场、瞬态、全熔透以及熔池上下表面变形等因素,建立了全熔透TIG焊接熔池瞬时行为的数值分析模型。在分析熔池表面变形的基础上,利用适体坐标变换将熔池表面变形后所形成的复杂物理边界转变为规则的计算边界。建立了适体坐标系下的离散化控制方程组,采用附加源项法对控制方程组的能量和动量边界条件进行了离散。在模型中,采用表面变形、流场和温度场的分离式求解方法,即三者分别求解,依次改进,成功地处理了熔池表面变形与流场和热场的耦合问题。采用模块化结构设计,编写了一套适合于模拟运动电弧作用下三维瞬态TIG焊接热过程的计算程序。 利用所建立的模型,对于TIG焊接的整个过程(包括起弧、熔池形成、熔池长大、熔透、达到准稳态、熄弧)进行了数值模拟。得出了不同工艺条件下熔池上下表面的表面变形、三维形状和熔池内的流场动态发展过程,特别是熔池从未熔透到全熔透的过程中熔池表面变形和三维形状的瞬时演变过程。还计算了不同焊接电流条件下熔池表面的动态行为,如最大变形、熔池长度和宽度的变化等。数值模拟结果表明,熔池上表面最大下塌量与熔池长度、宽度的比值随时间的变化曲线,清晰地反映出熔池演化和熔透的基本信息,熔池上表面最大下塌量和熔池长度、宽度的比值可以用作判断熔池熔透情况的指标性参量。 利用本文模型,模拟了焊接工艺参数发生阶跃变化时,熔池表面变形和三维


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