钢基体无熔深熔敷铜高频感应焊接数值模拟研究

摘要

本文主要研究钢基体无熔深熔敷铜高频感应焊接温度场的数值模拟。从感应加热原理及感应熔敷焊特点着手，以电磁学和传热学理论为基础，给出了电磁场和温度场分布的有限元分析模型，建立了感应熔敷焊的数学模型，利用有限元模拟软件ADINA，以内热加载方式对钢基体无熔深熔敷铜高频感应焊接过程温度场进行模拟，得出了感应熔敷焊时工件上的温度场分布规律。 对模拟结果分析可知，针对于大直径小壁厚工件，材料为非铁磁性物质时，其表面趋肤效应较铁磁性物质显著减弱，整个铜环及铜钢的界面处温差较小。工件上获得的有效总能量是影响工件上温度场分布的主要因素。 分析在不同的电源功率下的温度场分布云图，可知感应熔敷焊中存在功率的临界值，当功率降低到某一临界值时，工件上达到动态热平衡，延长加热时间并不能起到熔化工件的作用。 通过对不同边界换热条件下的模拟结果分析，可知电源功率、冷却水流量、通水时间三者存在一最佳匹配，只有当电源功率达到某一值时，控制合适的水流量及通水时间，才能保证铜熔化，钢基体不熔化的技术要求。 依据建立的红外测温验证系统，对加热的钢基体表面选定点进行温度采集，与数值模拟的结果进行比较，结果表明：误差值在5％～10％之间，温度变化趋势基本一致。证明了有限元模拟分析方法的可行性，将会对实际工程应用提供有力的技术支持。

目录

文摘

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声明

1绪论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2铜-钢异种金属焊接工艺研究概况

1.2.1无槽弹带的工艺研究概况

1.2.2钢基体熔敷铜焊接工艺研究概况

1.3数值模拟技术在焊接中的应用

1.4感应加热数值模拟的发展现状及应用概述

1.5有限元分析软件ADINA介绍

1.5.1 ADINA软件概况

1.5.2 ADINA软件的主要技术特点

1.6本论文的主要工作和研究内容

2高频感应熔敷焊原理及电磁场有限元分析

2.1感应加热基本原理

2.1.1趋肤效应与透入深度

2.1.2邻近效应与圆环效应

2.1.3漏磁现象与磁力线逸散

2.2电磁感应加热特点

2.2.1电磁感应加热的优点

2.2.2透入式加热和传导式加热

2.2.3感应加热的能量参数

2.3电磁场基本理论

2.3.1安培环路定律

2.3.2法拉第电磁感应定律

2.3.3高斯电通定律

2.3.4高斯磁通定律

2.3.5 Maxwell方程组的微分形式

2.4基于矢量磁位A的感应加热涡流场基本方程

2.4.1复矢量磁位的引入

2.4.2电磁场边界条件

2.5本章小结

3高频感应熔敷焊数值模拟数学模型的建立

3.1焊接温度场的有限元方程

3.1.1有限元基本方程

3.1.2温度场的有限元解法

3.2 ADINA软件中的热分析

3.3感应熔敷焊中的边界换热

3.4采用集中质量热容矩阵克服“跃阶”现象

3.5本章小结

4高频感应熔敷焊接温度场模拟过程

4.1 ADINA软件中有限元分析流程

4.2问题的描述与假设

4.3数值模拟参数的选择

4.3.1材料物理性能参数

4.3.2焊接内热的计算

4.3.3感应熔敷焊的试验参数

4.3.4边界换热及相变潜热计算

4.3.5时间步长的确定

4.4几何建模及模型单元化

4.4.1参数化建模方法

4.4.2单元和单元组

4.4.3网格密度控制及模型单元化

4.4.4几何体之间的网格连续技术

4.5本章小结

5不同参数下的温度场模拟结果及分析

5.1一定工艺参数下温度场结果分析

5.1.1工件在不同时刻的温度场分布

5.1.2工件在不同时刻的热流模拟

5.1.3工件径向和轴向上特殊节点的焊接热循环曲线

5.1.4工件在同一时刻不同位置处温度分布

5.2不同工艺参数对温度场的影响

5.2.1感应线圈总效率对温度场的影响

5.2.2电源功率对温度场的影响

5.2.3电流频率对温度场影响

5.2.4对流与辐射边界对温度场影响

5.2.5相变潜热对温度场影响

5.3其它因素对温度场分布影响

5.4本章小结

6高频感应熔敷焊试验验证

6.1试验系统

6.1.1感应熔敷焊试验设备

6.1.2感应熔敷焊温度检测设备

6.2感应熔敷焊试验过程设计

6.2.1试验系统参数选择

6.2.2试验具体过程

6.3模拟结果与实验结果比较

6.3.1高频感应加热熔化铜试验测温结果

6.3.2钢基体熔敷铜试验测温结果与模拟结果比较

6.4本章小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献