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GMAW焊接热过程的数值模拟

翟磊  
【摘要】: 熔化极气体保护焊(GMAW)是当今世界工业生产中应用最为广泛的焊接方法之一。对GMAW焊接熔池热过程进行数值模拟,对焊接智能化控制获取控制参数有着重要的实际和理论意义。 本文根据传热学的理论知识,建立了运动电弧作用下三维GMAW焊接热过程的数值分析模型。模型中热源采用了双椭球热源模式,考虑了电弧运动对电弧热流和电弧压力分布的影响,给出了电弧热流和电弧压力的双椭球分布模式的数学表达式。模型把过热熔滴带入熔池的热焓量处理为特定区域的均匀热源,将电弧热流与熔滴热的温度场叠加,得到双椭球体热源作用下工件的准稳态温度场。在此基础上,给出了控制方程组和表面变形方程组的有限差分离散化形式,采用附加源项法处理能量的边界条件;设计算法以及编写和调试数值计算程序,采用了过程和模块化的结构形式,增强了程序的可读性和可维护性,提高了程序的灵活性和适用性。 利用本文建立的模型和设计的数值计算程序,预测了从电弧引燃到准稳态过程中焊接温度场和熔池形状以及自由表面的变形的动态演变。定量分析了不同焊接工艺参数下准稳态时焊接熔池的形状参数以及上表面的最大下塌量和最大隆起量。进行了GMAW焊接低碳钢板的工艺试验,测量了各种熔池形状参数,对数值模拟的结果进行了实验验证。基于数值模拟和工艺试验结果,可以看出达到宏观准稳态时计算所得的焊缝形状尺寸与试验结果基本吻合,因此验证了所建模型和采用的计算方法是正确、可靠的。


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