单面双弧焊接熔池数值模拟研究

摘要

随着自动化技术、人工智能理论等相关学科纷纷取得长足进展，焊接生产的机械化、自动化和机器人化程度不断提高，生产节拍不断加快，因此，对焊接加工环节本身的生产速度提出了更高的要求。但是，焊接速度的提高会带来一些与常规速度焊接时不同的问题。其中最主要的是焊缝成形差，出现焊道咬边的现象，速度进一步提高时出现所谓“驼峰”焊道，甚至造成焊缝不连续。为了改善高速焊接时的焊缝成形，首先需要了解焊缝成形不良的机理。本文是针对平板堆焊时产生咬边的机理从数值模拟角度进行的研究。 本文首先从数值模拟入手，采用有限元分析的方法，使用ANSYS软件进行数值模拟，在模拟的过程中考虑到热源对工件不同区域影响程度的不同，划分网格时采用不均匀网格划分方法，这样既能保证计算的精度，同时又能节省大量的计算时间。 热源采用经典的高斯热源分布模式，工件的各项热物理性能参数采取随温度变化的方式，同时考虑到工件和外界的对流换热及辐射，另外，通过增加有效液体热传导率来近似考虑对流的影响，这样使计算条件尽可能与实际相吻合。 首先分析了TIG焊过程中熔池的成形规律，通过不同速度下温度场的比较，发现随焊接速度的提高，熔宽最大处的熔池深宽比越来越小，当达到某一临界值时，咬边就会产生。 根据这一现象又分析了双电弧作用下的熔池成形规律，发现如果前后电弧的能量分布合理，并且前后电弧距离合适的情况下，能得到好的焊缝，而且双弧焊时比单电弧作用下的低速焊接时得到的深宽比大，而低速焊时是不会产生咬边的，这就说明采取双电弧的情况能够在极大限度的提高效率的同时，避免焊接缺陷。 最后进行了大量的焊接工艺实验，通过测试焊缝的几何尺寸、形状并与计算结果比较，验证了数值模拟的计算结果。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1课题背景及课题意义

1.2焊接数值模拟技术发展现状及发展趋势

1.3焊接数值模拟在国内外发展研究现状

1.3.1 TIG焊接熔池的数值模拟

1.3.2双弧焊熔池数值模拟

1.4咬边缺陷分析

1.5本文的主要研究内容

第2章焊接熔池数学模型

2.1引言

2.2有限元法介绍

2.3模型的建立

2.4焊接热源计算模式的研究进展

2.4.1 Rosonthal的解析模式

2.4.2高斯函数的热流分布

2.4.3双椭球形热源分布函数

2.5控制方程组及边界条件

2.5.1控制方程组

2.5.2初始条件

2.5.3边界条件

2.5.4相变潜热的处理

2.5.5熔池对流的处理

2.6材料的热物理性能

2.7温度场初步计算结果

2.8本章小结

第3章TIG焊数值模拟结果与实验验证

3.1熔池行为的静力学分析

3.2不同焊接条件下熔池的温度场分析

3.2.1相同电流不同焊接速度时的温度场分析

3.2.2相同线能量不同焊接速度时的温度场分析

3.2.3相同熔深不同焊接速度时的温度场分析

3.3外界条件变化对熔池的影响规律

3.3.1预热温度对温度场的影响

3.3.2母材厚度对温度场的影响

3.3.3增加铜块后对温度场的影响

3.4实验验证

3.5本章小结

第4章双弧TIG焊数值模拟结果

4.1双弧焊概述

4.2双弧焊接过程的熔池特点

4.3温度场计算结果

4.3.1单电弧与双电弧温度场对比

4.3.2双电弧不同工况温度场分析

4.4本章小结

第5章模型的实验验证

5.1实验验证

5.2本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢