高速GMAW駝峰焊道形成機(jī)理的研究.pdf

1、高速GMAW作為一種高效電弧焊焊接工藝，因其設(shè)備成本低、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、焊接生產(chǎn)率高，具有廣泛的應(yīng)用前景。但大幅度提高焊接速度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生咬邊、駝峰等焊道成形缺陷，嚴(yán)重制約著該工藝在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。為抑制駝峰焊道，近年來針對(duì)駝峰缺陷形成機(jī)理開展了一些研究，取得了一定進(jìn)展。但是，仍存在很多問題需要進(jìn)一步深入研究和解決，主要表現(xiàn)在：(1)對(duì)駝峰焊道形成機(jī)理的研究大部分仍處于定性描述階段，缺乏系統(tǒng)的、理論的解釋和定量描述；(2)有關(guān)駝峰焊

2、道的數(shù)學(xué)模型還不能反映高速焊接過程的實(shí)質(zhì)；(3)缺乏對(duì)高速焊熔池三維形貌及溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化情況的定量分析。因此，建立反映高速GMAW焊接工藝特點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型，定量描述和分析駝峰焊道的形成機(jī)理及其主要影響因素，對(duì)于抑制駝峰焊道的產(chǎn)生、研發(fā)高速GMAW焊接工藝與設(shè)備、并推廣和應(yīng)用高速GMAW焊接工藝，都具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　 本文建立了高速GMAW焊接熔池瞬時(shí)熱物理行為的數(shù)值分析模型。根據(jù)高速GMAW焊接熔池細(xì)長(zhǎng)和表面

3、變形嚴(yán)重的實(shí)際情況，采用貼體坐標(biāo)系來處理復(fù)雜的物理邊界，推導(dǎo)相應(yīng)的離散化控制方程組，利用附加熱源法處理能量邊界條件。為減小數(shù)值傳遞造成的誤差、提高計(jì)算速度，采用二次拋物線插值法傳遞非均勻動(dòng)態(tài)網(wǎng)格中前后時(shí)刻的表面變形值和溫度值。采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增強(qiáng)程序的可讀性和可維護(hù)性。
　　 針對(duì)高速GMAW焊接過程的主要特點(diǎn)之一，考慮熔池后向液體流對(duì)熔池表面變形的影響，推導(dǎo)出含有后向液體流動(dòng)能項(xiàng)的熔池表面變形方程。在估算出熔池最大流速的基

4、礎(chǔ)上，對(duì)熔池內(nèi)流體速度分布做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化描述，構(gòu)造恰當(dāng)?shù)牧魉俜植己瘮?shù)。計(jì)算結(jié)果表明，動(dòng)能較大的后向液體流極大地改變了熔池受力情況，導(dǎo)致熔池尾部出現(xiàn)液體堆積和熔池中部出現(xiàn)液態(tài)薄層，而這兩者又是導(dǎo)致駝峰焊道形成的關(guān)鍵因素。
　　 基于高速GMAW焊接過程的另一主要特點(diǎn)，考察不同熔滴熱焓分布模式對(duì)駝峰焊道形成的影響程度。提出了較為符合高速GMAW焊接過程特點(diǎn)的熔滴熱焓分布模式，即，在熔池前部凹陷區(qū)，熔滴熱焓分布在熔池底部液體薄層內(nèi)；在熔

5、池尾部，熔滴熱焓平均分布在整個(gè)液體堆積層內(nèi)。計(jì)算結(jié)果表明，該分布模式能夠反映駝峰焊道形成過程中熔池動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)及其規(guī)律。
　　 利用所建立的模型，對(duì)高速GMAW駝峰焊道形成的完整過程(包括形成表面變形嚴(yán)重的熔池、熔池長(zhǎng)大(伴隨駝峰隆起)、熔池中部液態(tài)薄層提前凝固、尾部液態(tài)金屬逐漸凝固四個(gè)過程)進(jìn)行數(shù)值模擬。通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，熔池中部液態(tài)薄層得不到足夠的熱能(包括熔滴熱焓和電弧熱)是其先于尾部液態(tài)金屬凝固的主要原因；而此處液態(tài)薄