焊接熔池動(dòng)態(tài)過程及電弧能量分布的數(shù)值模擬.pdf

1、焊接過程是一個(gè)牽涉到電弧物理、傳熱傳質(zhì)、金屬的熔化與凝固的復(fù)雜過程，焊接電弧的能量分布以及焊接熔池中的流體流動(dòng)及其傳熱過程對(duì)焊接質(zhì)量有著極為重要的影響。采用科學(xué)的方法建立焊接熔池和焊接電弧的數(shù)學(xué)模型，定量地分析焊接熔池中流場(chǎng)與熱場(chǎng)，描述焊接熔池中的傳熱及流體流動(dòng)，分析焊接電弧的形態(tài)及能量分布，對(duì)實(shí)現(xiàn)焊接過程的智能化有著重要的實(shí)際和理論意義。 根據(jù)能量守恒的基本原理和流體力學(xué)以及傳熱學(xué)的理論知識(shí)，本文建立了運(yùn)動(dòng)電弧作用下三維GMA

2、W、TIG焊接熔池的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并采用有限元方法對(duì)模型進(jìn)行了離散化處理。在模型中綜合考慮了使熔池金屬產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的浮力、電磁力、表面張力、熔滴沖擊力等驅(qū)動(dòng)力，并且考慮了熔滴帶入熔池的熱量和動(dòng)量對(duì)整個(gè)焊接熱循環(huán)過程的影響，同時(shí)考慮了材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化、焊接過程中熔池與外界的能量的交換，以及熔化/凝固相變對(duì)熔池流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響。 根據(jù)磁流體動(dòng)力學(xué)理論，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)方程和麥克斯韋方程，本文建立了直流氬氮?dú)怏w保護(hù)TIG

3、焊電弧軸對(duì)稱數(shù)學(xué)模型，模擬了焊接電弧的熱過程和流體流動(dòng)。模型中采用了符合實(shí)際的尖端陰極形狀，氬氣和氮?dú)獾奈锢硇阅軈?shù)對(duì)溫度高度非線性，選取了合理的邊界條件。計(jì)算電場(chǎng)時(shí)將陰極和弧柱結(jié)合起來，避免了對(duì)陰極電流密度分布的假設(shè)。在ANSYS軟件分析中采用模塊化計(jì)算，分別建立溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流場(chǎng)的幾何模型，相互調(diào)用計(jì)算結(jié)果迭代運(yùn)算。 根據(jù)GMAW、TIG焊接熔池溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的特點(diǎn)，本文利用通用有限元軟件ANSYS，采用非均勻網(wǎng)格對(duì)單元進(jìn)行

4、了劃分，使用熱源疊加的方式對(duì)GMAW、TIG焊接熔池?zé)崃康奈者M(jìn)行了處理，對(duì)所建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。計(jì)算了焊接電流和焊接速度對(duì)焊接溫度場(chǎng)分布的影響。通過焊接工藝實(shí)驗(yàn)，測(cè)量的焊縫熔寬和熔深結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相比較，結(jié)果表明本文所建模型的計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值相差不大，驗(yàn)證了所建模型和采用的軟件方法是正確、可靠的。 根據(jù)GMAW焊接過程的特點(diǎn)，結(jié)合智能診斷的基本理論，并利用誤差反向傳播算法(BP算法)建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，應(yīng)用計(jì)算

5、工具M(jìn)ATLAB對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了計(jì)算。此外，還對(duì)質(zhì)量智能診斷過程中的特征提取和逆ANN模型的計(jì)算方法進(jìn)行了初步的研究，給出了基本的算法程序。并采用焊接工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所建立的質(zhì)量預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所建立的模型和采用的計(jì)算方法是正確和可靠的。 采用溫升法測(cè)量了氬氮保護(hù)TIG焊電弧的熱功率和靜特性。對(duì)電弧熱功率的計(jì)算表明，隨著氮?dú)夂康脑黾?，不僅總的電弧熱功率增加，陽極熱功率占整個(gè)電弧熱功率的比例明顯提高。對(duì)直流