铝合金/钢脉冲MIG电弧熔-钎焊熔池流场数值分析

摘要

铝合金/钢的复合结构综合了铝合金密度低、耐腐蚀性好和钢价格低廉的优点，具有广阔的应用前景。由于铝合金和钢的热物理性质差异巨大，熔-钎焊接是目前二者最有效的焊接工艺之一。铝合金/钢熔-钎焊接过程中铝合金熔化与填充金属混合形成熔焊接头，同时二者在钢板表面铺展与不熔化的钢母材形成钎焊接头。液态铝合金在钢板表面润湿铺展的过程中，两者之间发生合金元素扩散，可能生成脆性Fe-Al金属间化合物，降低接头的性能。因此，熔池金属的动态行为和钎焊界面热过程直接决定了焊接过程的稳定性以及焊缝最终成形、力学性能。通过数值分析方法定量分析熔-钎焊接过程中熔池的温度场和流场具有重要的理论意义与工程应用价值。
　　基于采集的脉冲MIG焊接电流和电弧电压的实测值，计算得到了焊接功率的脉冲波形，并对焊接电流和焊接功率的脉冲特性进行方波拟合。除焊接电流峰值不随送丝速度的增加而变化外，焊接电流的基值、占空比、频率和焊接功率的基值、峰值、峰值占比都随送丝速度的增加而增加。基于对电弧周期性变化和熔滴过渡图像信息的采集，分析了铝合金/钢搭接MIG电弧熔-钎焊接过程电弧形态特点及熔滴过渡过程。由于铝合金和钢物理性质的差异、搭接接头和焊枪倾角的影响，电弧呈铝侧窄钢侧宽、沿焊接方向前长后短的分布特点。通过熔滴过渡连续性图像确定了熔滴过渡的时间。
　　基于脉冲MIG电弧熔-钎焊接工艺特点，建立了适用于铝合金/钢搭接MIG电弧熔-钎焊接工艺的四椭圆电弧模型和熔滴模型。综合考虑焊接过程中的电弧热、熔滴热、电弧压力、熔滴冲击力、表面张力、电磁力、重力、浮力等作用以及焊接过程中电弧、熔滴对熔池的热-力作用，建立了铝合金/钢脉冲MIG电弧熔-钎焊接数理模型。模拟的熔-钎焊的熔合线走向、钎焊焊缝宽度、熔焊焊缝润湿角以及钎焊焊缝铺展角与实验结果都吻合较好，说明所建熔-钎焊模型是合理的，能够用来分析熔池的热过程和液态铝合金在钢板表面的铺展行为。
　　由于铝合金和钢热物理性质的差异，铝合金/钢脉冲MIG电弧熔-钎焊接温度场分布左右不对称，铝合金侧高温范围比钢侧大，温度梯度比钢板侧的温度梯度小。加热过程中，对应焊接过程中的基值电流-峰值电流-熔滴冲击的周期性作用，熔池温度场经历了稳定-缓升-陡升陡降-稳定的热循环过程。熔池中的液态金属主要来源于熔化的填充材料，占总熔池金属的60％以上。冷却过程中，熔-钎焊熔池从熔合线和钎焊界面边缘逐渐向熔池内部凝固。
　　在脉冲电弧和熔滴过渡周期性作用下，熔焊熔池和钎焊熔池的流场都经历了稳定-缓慢扩张-迅速扩张-熔池震荡-稳定的过程。冷却过程中，熔焊熔池有一个逆时针涡流，钎焊熔池有一个顺时针涡流，随着液态铝合金的逐渐凝固，涡流范围逐渐缩小，熔池的流动速度逐渐衰减。铝合金/钢熔-钎焊熔池的流动是一个动态铺展的过程，熔池表面的铺展速度大于钎焊界面的回流速度时，熔池处于铺展过程;反之，熔池处于收缩过程。熔池震荡期液态金属流动速度增加，为熔池铺展的主要期。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究目的及意义

1．2 铝合金／钢MIG熔-钎焊接工艺研究现状

1．3 熔-钎焊接数值模拟研究现状

1．3．1 温度场

1．3．2 应力场

1．3．3 流场

1．4 熔池的动态铺展研究现状

1．4．1 液体铺展理论

1．4．2 液态金属铺展工艺实验

1．4．3 熔滴铺展数值分析

1．5 本课题的研究内容

第2章 铝合金／钢脉冲MIG电弧熔-钎焊工艺实验

2．1 焊接方法

2．2 电信号采集

2．3 电弧形态与熔滴过渡图像

2．3．1 脉冲电弧形态

2．3．2 熔滴过渡

2．4 本章小结

第3章 铝合金／钢脉冲MIG熔-钎焊数学模型

3．1 铝合金／钢脉冲MIG电弧熔-钎焊接的特点

3．2 模型的简化

3．3 几何模型的建立

3．4 控制方程组

3．4．1 质量守恒方程

3．4．2 动量守恒方程

3．4．3 能量守恒方程

3．4．4 VOF方程

3．5 初始条件及边界条件

3．5．1 模型的初始条件

3．5．2 工件的边界条件

3．6 热-力作用

3．6．1 电弧和熔滴热源能量分配

3．6．2 电弧模型

3．6．3 熔滴模型

3．6．4 其它力模型

3．7 材料的热物理性能

3．8 数值模型的计算

3．8．1 VOF模型

3．8．2 压力隐式算子分裂算法

3．9 本章小结

第4章 铝合金／钢脉冲MIG熔-钎焊数值分析结果

4．1 模型的实验验证与误差分析

4．1 熔-钎焊接温度场

4．1．1 加热过程熔池温度场

4．1．2 冷却过程熔池温度场

4．2 熔-钎焊接流场

4．2．1 加热过程熔池流场

4．2．2 冷却过程熔池流场

4．2．3 熔池的动态铺展

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢