CO气保焊短路过渡过程的熔滴与熔池行为的仿真研究

摘要

CO2气体保护焊(简称CO2气保焊)是成本低、变形小、抗油锈、效率高、易于实现自动化等特点的焊接方法，主要应用在中、薄板和全位置焊接。短路过渡是CO2气保焊广泛采用的一种熔滴过渡形式，在细焊丝、小电流和低电压的条件下实现，飞溅大和焊缝成型差，因此，如何控制CO2气保焊的焊接接头质量是一个重要的研究课题。CO2气保焊焊接头质量是由熔池行为所决定的，而短路过渡过程中的熔滴行为对熔池行为会产生重要影响，所以研究CO2气保焊短路过渡时焊接参数对熔滴与熔池行为的影响对控制焊接接头的质量有重要意义。围绕熔滴与熔池行为，本文主要从事的研究工作如下：
　　 从CO2气保焊的特点和熔滴短路过渡的机理出发，通过对熔滴的行为规律进行深入研究，根据“质量—弹簧”理论分析了焊接参数对焊短路过渡过程熔滴行为的影响。借助MATLAB的数值分析平台，模拟了焊接电流对熔滴的尺寸形状及过渡频率的影响，并对熔滴上的主要作用力进行了分析。研究表明：电磁力、熔滴的重力、等离子流拉力随着电流的增大是逐渐增大的。在同一电流下，随时间增加熔滴持续长大，各力随时间的增加而增大，电磁力随时间以曲线形式增长，重力和等离子流拉力随时间的变化近似线性增加。熔滴长大的不同阶段，其受力大小不同。随着电流的增加，熔滴的位移逐渐变小，熔滴的平均质量下降，熔滴过渡频率增大。
　　 在短路过渡CO2气保焊的实际焊接过程中，当前焊接温度场模拟采用的热源模型中往往忽略熔滴带入的热量对熔池温度场的分布会产生重要的影响。本文建立了适合于CO2气保焊的双椭球电弧热源与熔滴热源相叠加的一种新型复合热源模型；利用有限元软件ANSYS对低碳钢焊件的温度场动态演变规律进行了模拟和计算，并通过实验进行验证。研究结果表明，利用复合热源模型比单一的双椭球热源模型的模拟结果更接近于实验测试结果，验证了改进复合热源模型的准确性、有效性与实用性。
　　 在上述研究基础上，结合CO2气保焊焊接工艺性能特点，用ANSYS软件研究焊接参数与熔池几何形状之间的关系，进行相应的焊接工艺实验，并且对模拟结果和实际测量值之间的误差进行了简单分析。本文的研究成果不仅揭示了CO2气保焊短路过渡过程的熔滴与熔池行为的演变规律，也为得到焊接工艺的制定提供理论依据。实验验证结果说明用ANSYS所建立的模型得到的计算结果基本合理可信。

目录

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英文文摘

论文说明：图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1研究背景

1.2研究现状

1.2.1 CO2气保焊熔滴行为仿真的研究现状

1.2.2 CO2气保焊熔池数值模拟的研究现状

1.3现状分析

1.4本课题的主要研究内容

第二章熔滴与熔池理论基础

2.1引言

2.2熔滴短路过渡过程与受力的分析

2.2.1熔滴过渡分类

2.2.2短路过渡的物理过程

2.2.3熔滴过渡一般理论

2.2.4熔滴过渡中的受力分析

2.3焊接熔池成形及其数学模型

2.3.1熔池的形成

2.3.2熔池形状的类型及影响因素

2.3.3焊接熔池模型的数学描述

2.4焊接工艺参数对熔池尺寸的影响

2.5本章小节

第三章基于MATLAB的CO2气保焊熔滴行为的数值分析

3.1引言

3.2基于“质量—弹簧”理论的数学模型的建立

3.3数学模型的求解与参数计算

3.3.1关键参数的处理

3.3.2 MATLAB数值求解

3.4结果分析

3.4.1焊接电流对熔滴位移与时间的关系的影响

3.4.2熔滴连续长大时焊接电流对熔滴受力影响

3.5本章小结

第四章 CO2气保焊短路过渡焊接熔池形态成形过程的模拟

4.1引言

4.2数学模型的建立

4.2.1三维温度场的控制方程

4.2.2边界条件

4.2.3相变潜热

4.3有限元模型的建立

4.3.1定义单元类型

4.3.2建立几何模型

4.3.3网格的划分

4.3.4材料参数的定义

4.4载荷施加

4.4.1焊接热源的处理

4.4.2生热率和对流的加载

4.4.3求解方法

4.5计算结果与讨论

4.5.1复合热源解析模型的合理性验证

4.5.2温度场的动态演变过程与温度梯度

4.5.3焊接热循环

4.6本章小节

第五章焊接参数对熔池形态的影响分析及实验验证

5.1引言

5.2不同焊接参数对熔池形态的影响

5.2.1焊接电流对熔池尺寸的影响

5.2.2焊接电压对熔池尺寸的影响

5.2.3焊接速度对熔池尺寸的影响

5.3实验验证和对比分析

5.3.1实验测试方法

5.3.2实验测试结果和模拟结果对比分析

5.4本章小节

第六章结论及创新点

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文