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高速GMAW驼峰焊道形成机理的研究

陈姬  
【摘要】: 高速GMAW作为一种高效电弧焊焊接工艺,因其设备成本低、操作简单、适应性强、焊接生产率高,具有广泛的应用前景。但大幅度提高焊接速度时,会产生咬边、驼峰等焊道成形缺陷,严重制约着该工艺在实际生产中的应用。为抑制驼峰焊道,近年来针对驼峰缺陷形成机理开展了一些研究,取得了一定进展。但是,仍存在很多问题需要进一步深入研究和解决,主要表现在:(1)对驼峰焊道形成机理的研究大部分仍处于定性描述阶段,缺乏系统的、理论的解释和定量描述;(2)有关驼峰焊道的数学模型还不能反映高速焊接过程的实质;(3)缺乏对高速焊熔池三维形貌及温度场动态变化情况的定量分析。因此,建立反映高速GMAW焊接工艺特点的数学模型,定量描述和分析驼峰焊道的形成机理及其主要影响因素,对于抑制驼峰焊道的产生、研发高速GMAW焊接工艺与设备、并推广和应用高速GMAW焊接工艺,都具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文建立了高速GMAW焊接熔池瞬时热物理行为的数值分析模型。根据高速GMAW焊接熔池细长和表面变形严重的实际情况,采用贴体坐标系来处理复杂的物理边界,推导相应的离散化控制方程组,利用附加热源法处理能量边界条件。为减小数值传递造成的误差、提高计算速度,采用二次抛物线插值法传递非均匀动态网格中前后时刻的表面变形值和温度值。采用模块化结构设计,增强程序的可读性和可维护性。 针对高速GMAW焊接过程的主要特点之一,考虑熔池后向液体流对熔池表面变形的影响,推导出含有后向液体流动能项的熔池表面变形方程。在估算出熔池最大流速的基础上,对熔池内流体速度分布做适当的简化描述,构造恰当的流速分布函数。计算结果表明,动能较大的后向液体流极大地改变了熔池受力情况,导致熔池尾部出现液体堆积和熔池中部出现液态薄层,而这两者又是导致驼峰焊道形成的关键因素。 基于高速GMAW焊接过程的另一主要特点,考察不同熔滴热焓分布模式对驼峰焊道形成的影响程度。提出了较为符合高速GMAW焊接过程特点的熔滴热焓分布模式,即,在熔池前部凹陷区,熔滴热焓分布在熔池底部液体薄层内;在熔池尾部,熔滴热焓平均分布在整个液体堆积层内。计算结果表明,该分布模式能够反映驼峰焊道形成过程中熔池动态变化的特点及其规律。 利用所建立的模型,对高速GMAW驼峰焊道形成的完整过程(包括形成表面变形严重的熔池、熔池长大(伴随驼峰隆起)、熔池中部液态薄层提前凝固、尾部液态金属逐渐凝固四个过程)进行数值模拟。通过数值计算发现,熔池中部液态薄层得不到足够的热能(包括熔滴热焓和电弧热)是其先于尾部液态金属凝固的主要原因;而此处液态薄层率先凝固意味着一个驼峰即将形成、同时另一驼峰开始孕育的周期过程。得出了不同焊接工艺参数下的工件上表面、纵截面(y=0)温度场以及焊道三维形状的瞬时演变过程,定量分析了驼峰焊道的形成过程以及焊接工艺参数的影响。 开展了高速GMAW焊接工艺实验,数值计算结果与实验值基本吻合,所建模型能够反映高速GMAW焊接过程的主要特点及规律。基于数值分析结果,提出了抑制驼峰焊道的工艺措施,经实验证明效果明显。


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