微束等离子弧超薄板爆接熔池动态过程的研究

发布时间：2017-07-07 08:19

  本文关键词：微束等离子弧超薄板爆接熔池动态过程的研究

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【摘要】：在超薄板微束等离子弧焊接过程中,由于板件超薄,只有0.1mm,焊接过程难以控制,热输入偏大,则超薄板直接被焊穿,而热输入偏小,超薄板则不能被熔化。采用实验的方法需要花费大量的金钱时间人力。随着科学技术的发展,使用计算机软件对焊接熔池进行数值分析得到了广泛的普及。本文将通过利用ANSYS FLUENT软件对超薄板微束等离子弧的焊接过程进行数值分析。根据微束等离子弧超薄板焊接的工艺特点,结合流体力学和传热学原理,建立了超薄板焊接熔池的瞬态数值分析模型。电弧热源模型采用高斯热源分布模型,综合考虑了表面张力、电磁力、浮力以及电弧压力等因素,添加了超薄板固态金属的热传导、熔池内部液态金属质点的热传递、熔池与外部环境的对流辐射等条件的影响,利用焓孔隙度法处理熔池中的熔化/凝固问题。对ANSYS FLUENT软件进行二次开发,通过编写用户自定义函数(UDF)将求解方程导入到程序中,然后采用有限体积法对控制方程组进行离散,SIMPLE算法进行求解,从而实现了超薄板微束等离子弧焊接过程的数值分析。由于超薄板受热熔化形成熔池的时间特别短,本文首先建立了非移动微束等离子弧超薄板焊接的瞬态模型,设置较小的时间步长,观察超薄板受热后温度的传递,熔池的形成以及长大,熔池长大过程中力所起的作用,分别分析了表面张力、电磁力、浮力以及电弧压力在熔池长大阶段的推动作用。其次,分析了移动微束等离子弧超薄板的熔池动态过程,通过设定合理的焊接时间,可以看到焊接过程中,焊接温度场是随着电弧的移动而不断变化的。随着电弧的移动,热影响区不断变大,而焊接中心区基本保持不变即焊接熔池处于准稳态,然后分析各作用力及合力在熔池非稳态以及稳态时刻下,对熔池中液态质点的推动作用。最后对脉冲微束等离子弧超薄板焊接进行计算,得到了脉冲电流作用下的熔池温度场、流场。然后对脉冲参数,主要为占空比、基脉比以及脉冲频率,进行改变,得到了不同脉冲参数下熔池温度场、流场的变化,推断出在这些参数下作用下焊缝的最终形态。采用不锈钢超薄板进行了一定量的微束等离子弧焊接工艺试验。利用图像采集系统采集了焊接过程中熔池的形状与尺寸,焊后通过制作焊缝成形的照片,获得了焊缝轮廓形状和尺寸,将实验值与计算值进行对比分析。
【关键词】：超薄板 微束等离子弧焊接 数值模拟 熔池 温度场 流场
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG456.2
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 选题意义12
• 1.2 等离子弧焊数值模拟的研究现状12-19
• 1.2.1 早期发展13-14
• 1.2.2 研究现状14-18
• 1.2.3 现阶段的主要问题18-19
• 1.3 本文主要研究内容19-20
• 第二章 非移动微束等离子弧超薄板焊接熔池的数值分析20-40
• 2.1 非移动微束等离子弧超薄板焊接熔池的数学模型研究20-30
• 2.1.1 计算模型20-24
• 2.1.2 熔池受力分析24-26
• 2.1.3 焊接热源的选取26-27
• 2.1.4 热源校正27-29
• 2.1.5 网格划分29-30
• 2.2 非移动微束等离子弧超薄板焊接熔池的数值模拟计算与讨论30-38
• 2.2.1 温度场的分析讨论30-33
• 2.2.2 流场的分析讨论33-35
• 2.2.3 各作用力对流场的影响35-38
• 2.3 本章小结38-40
• 第三章 移动微束等离子弧超薄板焊接熔池动态过程的研究40-66
• 3.1 移动微束等离子弧作用下的超薄板熔池焊接过程的模拟研究40-43
• 3.1.1 超薄板焊接过程温度场的分析讨论41-43
• 3.2 非稳态熔池的温度场和流场的计算分析43-53
• 3.2.1 温度场的分析讨论43-44
• 3.2.2 流场的分析讨论44-47
• 3.2.3 超薄板厚度方向上的温度场和流场47-53
• 3.3 稳态超薄板焊接熔池的温度场和流场的研究53-63
• 3.3.1 温度场的分析讨论53-54
• 3.3.2 流场的分析讨论54-56
• 3.3.3 超薄板厚度方向上的温度场和流场56-63
• 3.4 工艺试验及验证63-64
• 3.4.1 工艺条件63-64
• 3.4.2 实验结果及分析64
• 3.5 本章小结64-66
• 第四章 脉冲微束等离子弧超薄板焊接熔池动态过程的研究66-86
• 4.1 脉冲微束等离子弧作用下的超薄板熔池温度场、流场的结果分析66-71
• 4.1.1 超薄板温度场结果分析67-69
• 4.1.2 实验结果及分析69-70
• 4.1.3 超薄板流场结果分析70-71
• 4.2 改变脉冲参数对超薄板熔池温度场和流场的影响71-82
• 4.2.1 提高占空比对超薄板熔池温度场和流场的影响71-75
• 4.2.2 提高基脉比对超薄板熔池温度场和流场的影响75-79
• 4.2.3 提高脉冲频率对超薄板熔池温度场和流场的影响79-82
• 4.3 热源校正82-84
• 4.4 本章小结84-86
• 第五章 结论86-88
• 参考文献88-92
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果92-93
• 致谢93-94

【参考文献】

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本文编号：529452