外加電磁場作用下的電弧熔積成形過程的數(shù)值研究.pdf

1、電弧熔積成形是利用熔化極焊接電弧(GMAW)作為熱源的金屬増材制造技術(shù)，其堆積效率高，設(shè)備投入小，在制造大中型金屬零件時具有明顯成本優(yōu)勢，近年來日益受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。電磁技術(shù)作為控制金屬凝固過程的常用手段之一，其在電弧熔積成形中抑制應(yīng)力、變形、氣孔、裂紋等缺陷和控制微觀組織等方面具有應(yīng)用潛力。然而，目前關(guān)于電磁技術(shù)應(yīng)用于増材制造中的實驗和數(shù)值研究都處于空白狀態(tài)。
　　本文開啟了對電弧熔積成形中電磁技術(shù)應(yīng)用的數(shù)值研究，主要建

2、立外加電磁場下電弧熔積成形過程的電磁、熱-應(yīng)力、流體分析的三維數(shù)值模型以及三者之間的耦合機制。同時，借助上述模型和耦合機制，通過仿真模擬揭示外加電磁作用對熔積過程中應(yīng)力應(yīng)變、熔池流體流動、凝固組織和性能以及熔積層宏觀形貌的影響，探索電磁輔助熔積控形控質(zhì)的內(nèi)在規(guī)律，為増材制造中電磁輔助技術(shù)的開發(fā)和設(shè)計提供理論指導(dǎo)。
　　首先，提出了電弧電磁分析的簡化模型，利用該模型對外加電磁場作用下的電弧熔積過程電磁場問題進(jìn)行快速有限元分析，計算獲

3、得電磁場、電磁力和電磁熱分布。針對無外加磁場、外加恒定縱向和恒定橫向磁場等情況下的電弧熔積成形進(jìn)行電磁場分析，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的吻合證實了所用模型和方法的正確性和適用于所有類型外加電磁場。
　　其次，率先進(jìn)行利用外加電磁熱（高頻感應(yīng)加熱）減小電弧熔積成形殘余應(yīng)力和變形的實驗和數(shù)值研究。一方面，建立三維熱-應(yīng)力分析模型計算多層熔積成形的溫度場、應(yīng)力和變形場，并提出利用紅外攝像技術(shù)校正熱模型輸入?yún)?shù)以提高計算精度的新方法；另一方面，

4、提出電弧熔積成形過程中外加電磁熱的簡化模擬方法，實現(xiàn)了外加電磁熱的電弧熔積成形的電磁-熱-應(yīng)力耦合分析。針對電弧熱和電磁感應(yīng)熱同時作用、相互影響的雙熱源多層熔積情況，電磁熱被當(dāng)成除電弧熱源之外的第二熱源，利用典型時刻的磁熱耦合計算獲得電磁熱分布，并將該分布作為移動熱源與電弧熱一起施加到多層堆積的熱分析中。研究中還分析了不同電磁配置方案對最終殘余應(yīng)力的影響，仿真和實驗結(jié)果表明將感應(yīng)熱施加在電弧前方作為預(yù)熱時減小應(yīng)力和變形的效果最佳。

5、>　　再者，建立外加電磁作用下電弧熔積成形的三維電磁-流體耦合分析模型，模擬各種外加電磁場下電弧熔積熔池的流體流動和傳熱過程。流體模型是基于VOF算法和焓-孔隙率方法的三維非穩(wěn)態(tài)模型，考慮了熔池中的電磁力、表面張力、電弧壓力以及浮力等作用力，還考慮了熔滴沖擊和弧壓導(dǎo)致的熔池表面變形。同時，建立有限元電磁分析和有限體積流體仿真的耦合機制，二者之間實現(xiàn)了電磁力、電磁熱和熔池表面形狀等結(jié)果數(shù)據(jù)的雙向傳遞，流體計算中加載的電磁力和電磁熱分布是有

6、限元電磁場分析獲得的結(jié)果。
　　最后，借助建立的電磁-流體耦合分析模型，研究外加恒定縱向、恒定橫向、高頻橫向磁場對電弧熔積熔池的流體流動和傳熱過程的作用。結(jié)果顯示，外加縱向磁場驅(qū)動了熔池周向旋轉(zhuǎn)流動，增大了流動速度，旋轉(zhuǎn)流熔斷或破碎枝晶，具有細(xì)化晶粒，減小偏析，消除裂紋氣孔等有利作用；而外加特定方向和強度的恒定橫向磁場推動高溫熔體向熔池后方的輸運，提高了熔池接納熔滴的能力，消除了飛濺現(xiàn)象；外加高頻電磁場可以在熔池中產(chǎn)生定向的高頻電