摇动电弧窄间隙gma焊熔池形态分析(附件)【字数：14257】
随着制造业的不断发展，厚板焊接应用也逐渐变得普遍，特别是在船舶、压力容器和海上设备的建设中。由于焊接结构的复杂性，垂直焊接工艺在这些领域至关重要。对于厚板焊接，窄间隙焊接和常规焊接方法相比，具有成本低，生产效率高，热输入低，质量好，变形小等优点，其中摇动电弧窄间隙GMAW立焊不仅可以确保足够的侧壁渗透，而且可以抑制由于其弯曲的导电棒而导致的垂直焊接期间由于重力作用引起的熔融金属的下淌，其被认为是在窄间隙全位置焊接中的一个有希望的方法。为了能够使垂直位置焊接工艺更好的使用到制造业当中去，有必要对其进行一定的研究。特别是垂直位置的摇动电弧窄间隙焊接涉及更多的工艺参数，优化起来比较困难。为了使垂直焊缝得到控制，需要更好地了解摇动电弧窄间隙焊在垂直位置的熔池动态特性。本文主要综合考虑摇动电弧窄间隙GMAW立焊的接头几何特征，热源的移动轨迹建立了适合摇动电弧窄间隙GMAW立焊的熔池动态分析的的三维数值分析模型，利用FLUENT 软件对不同摇动频率条件下的摇动电弧窄间隙GMAW立焊的温度场和流场进行计算，基于计算结果对其流体流动进行分析，并将得出的熔池尺寸的计算结果和实验结果进行比较，发现两者基本相同，说明了模型的准确性。研究结果表明，当摇动频率f=0Hz时，焊缝成形较差，熔融金属在重力作用下下淌严重，随着摇动频率增加，下淌现象逐渐改善，当f=0.8Hz时，下淌现象消失，并且焊缝成形良好，焊缝平整，横截面关于焊缝中心对称。关键词摇动电弧窄间隙；立焊；频率；熔池形态分析
目录
第一章 绪论 1
1.1 选题意义 1
1.2 摇动电弧窄间隙GMAW工艺发展现状 1
1.2.1 窄间隙GMAW的定义 1
1.2.2 摇动电弧窄间隙GMAW的方法 2
1.2.3 摇动电弧窄间隙GMAW的优势和不足 5
1.3 摇动电弧窄间隙GMAW数值模拟研究现状 6
1.3.1 数值计算在焊接中的应用 6
1.3.2 国内外摇动电弧窄间隙GMAW数值模拟的研究现状 6
1.4 本文主要研究内容 7
第二章 实验设备和方法 9
2.1 实验设备 9
2.2 实验材料 10
2.3 实验方案 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.4 本章小结 11
第三章 摇动电弧窄间隙焊数值计算模型建立 12
3.1 控制方程 12
3.1.1 能量守恒方程 12
3.1.2质量守恒方程 12
3.1.3动量守恒方程 12
3.2 电弧热源模型的建立 14
3.3 熔滴过渡模型 16
3.4 边界条件 16
3.4.1 能量边界条件 16
3.4.2 动量边界条件 16
3.5 网格划分和几何尺寸的建立 17
3.6 结果与讨论 18
3.6.1 熔池形态分析 19
3.7 本章小结 32
结论 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 选题意义
随着制造产业技术的发展，厚钢板在船舶，航空等大型制造业的应用比重越来越大，大家也越来越关心大型厚壁器件的制造[12]。在进行厚板焊接时，如果使用普通的焊接方法，那么由于坡口面积的快速增大会有许多不足：焊接工作量成倍增长，短时间内生产的工件数少，焊材破费得多，焊接成本高；同时一般焊接技术的焊接接头存在比较大的残余应力和残余变形，无法保证焊接质量的稳定[3]。在焊接大厚板时，相较于传统焊接技术，窄间隙焊接技术具有明显优势。
在工业技术获得发展的同时，计算机技术和数值分析技术也开始发展起来，因此焊接过程逐渐开始运用数值模拟，并且随着对这方面的研究深入，也慢慢取得了很大的进步，现如今已经从定性走向了定量，从而数值模拟技术也成为了研究焊接机理和优化工艺的强有力的武器。数值计算的主要优势在于，可以在研究焊接过程的时候，预选和优化焊接工艺参数，并且对结果进行方向性预测。除了这些作用以外，还可以获取在实验过程无法取得的信息，存在更多可能性让人们了解焊接的物理过程。
1.2 摇动电弧窄间隙GMAW工艺发展现状
1.2.1 窄间隙GMAW的定义
窄间隙GMAW是在使用传统焊接方法的基础上发展而来的一种新型焊接技术[4]。窄间隙焊千变万化并且作者们的叙述方法也各不相同，但是通过分析大量的参考文献，我们仍然可以发现它们之间的共同的特征，主要有以下几点[5]：
(1) 实际上窄间隙焊不是一种方法，而是一种特殊技术。在许多常规的电弧焊方法中都有所使用窄间隙焊，特别是熔化极气体保护焊中。就此来看，称其为方法也确切，但如此称呼在逻辑学上并未有考证。
(2) 窄间隙焊和电渣焊、气电焊或高电流密度的埋弧焊是不同的，它是一种多道焊接技术。
(3) 窄间隙焊可采用矩形坡口接头、也可以采用V形但是需要选择坡口角度。与埋弧焊，熔化极气体保护焊等比较而言，窄间隙焊是通过能够使焊炬进入接头的前提来选择坡口角度(有时也很小)。
(4) 窄间隙焊不同于开V形或双V形坡口的常规焊接方法的填充法，它在坡口填充时，焊道数是固定，采用堆焊的方式。
(5) 与埋弧焊或电渣焊相反，窄间隙焊要求的线能量较低。
(6) 和电渣焊以及埋弧焊相比较而言，摇动电弧窄间隙焊可以进行全位置焊接。
1.2.2 摇动电弧窄间隙GMAW的方法
摇动电弧窄间隙焊接工艺，采用了一种带有一定弯曲角度的导电杆，由空心轴电机直接驱动折弯导电杆，带动从导电嘴中心孔送出的焊丝端部电弧绕焊炬中心轴线在工件坡口内作圆弧形往复转动[6]。该工艺方法一方面使电弧中心轴线和坡口两侧壁呈一定的夹角，提高电弧对坡口两侧壁的热输入，增加侧壁熔透，如图11所示；另一方面，一定频率的电弧摇动对熔池有一定的搅动作用，熔池也会随着电弧的往复摇动而有规律的振荡，这种振荡对窄间隙焊缝的成形有着积极作用。
图11 摇动电弧
采用摇动电弧焊接时，利用电弧在坡口中的摇动可以直接对坡口侧壁进行加热，而且有利于分配焊接电弧热量，增宽焊接规范区间而且能够避免产生“指状熔深”。目前使电弧摆动的方法有很多种，如波浪焊丝、麻花状焊丝、折曲焊丝、磁控电弧摆动、旋转射流、高速旋转电弧、摆动电弧等。
(1) 折曲式（波浪式）焊丝窄间隙焊
弯曲式焊丝窄间隙焊原理图如图12所示，这种方法是通过弯丝装备使焊丝盘曲，随着焊丝的熔化，电弧在坡口内实现横向摆动。弯丝机构一种是采用使送丝轮横向往复摆动的方法，称为波浪式；另一种是采取特殊形状的送丝轮，称为折曲式。波浪式方法通过摆动幅度来改变焊丝弯曲程度，进而调整电弧摆动范围，调整的过程简单易于实现，并且可以实现电弧在侧壁附近的短时间停留，摆动频率小于2Hz[7]。折曲式摇动频率可以达到较大值，但是由于在实际生产应用中没有很好的适用性，所以大多数时候还是采用的波浪式焊丝窄间隙焊。
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第一章 绪论 1
1.1 选题意义 1
1.2 摇动电弧窄间隙GMAW工艺发展现状 1
1.2.1 窄间隙GMAW的定义 1
1.2.2 摇动电弧窄间隙GMAW的方法 2
1.2.3 摇动电弧窄间隙GMAW的优势和不足 5
1.3 摇动电弧窄间隙GMAW数值模拟研究现状 6
1.3.1 数值计算在焊接中的应用 6
1.3.2 国内外摇动电弧窄间隙GMAW数值模拟的研究现状 6
1.4 本文主要研究内容 7
第二章 实验设备和方法 9
2.1 实验设备 9
2.2 实验材料 10
2.3 实验方案 10 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
2.4 本章小结 11
第三章 摇动电弧窄间隙焊数值计算模型建立 12
3.1 控制方程 12
3.1.1 能量守恒方程 12
3.1.2质量守恒方程 12
3.1.3动量守恒方程 12
3.2 电弧热源模型的建立 14
3.3 熔滴过渡模型 16
3.4 边界条件 16
3.4.1 能量边界条件 16
3.4.2 动量边界条件 16
3.5 网格划分和几何尺寸的建立 17
3.6 结果与讨论 18
3.6.1 熔池形态分析 19
3.7 本章小结 32
结论 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 选题意义
随着制造产业技术的发展，厚钢板在船舶，航空等大型制造业的应用比重越来越大，大家也越来越关心大型厚壁器件的制造[12]。在进行厚板焊接时，如果使用普通的焊接方法，那么由于坡口面积的快速增大会有许多不足：焊接工作量成倍增长，短时间内生产的工件数少，焊材破费得多，焊接成本高；同时一般焊接技术的焊接接头存在比较大的残余应力和残余变形，无法保证焊接质量的稳定[3]。在焊接大厚板时，相较于传统焊接技术，窄间隙焊接技术具有明显优势。
在工业技术获得发展的同时，计算机技术和数值分析技术也开始发展起来，因此焊接过程逐渐开始运用数值模拟，并且随着对这方面的研究深入，也慢慢取得了很大的进步，现如今已经从定性走向了定量，从而数值模拟技术也成为了研究焊接机理和优化工艺的强有力的武器。数值计算的主要优势在于，可以在研究焊接过程的时候，预选和优化焊接工艺参数，并且对结果进行方向性预测。除了这些作用以外，还可以获取在实验过程无法取得的信息，存在更多可能性让人们了解焊接的物理过程。
1.2 摇动电弧窄间隙GMAW工艺发展现状
1.2.1 窄间隙GMAW的定义
窄间隙GMAW是在使用传统焊接方法的基础上发展而来的一种新型焊接技术[4]。窄间隙焊千变万化并且作者们的叙述方法也各不相同，但是通过分析大量的参考文献，我们仍然可以发现它们之间的共同的特征，主要有以下几点[5]：
(1) 实际上窄间隙焊不是一种方法，而是一种特殊技术。在许多常规的电弧焊方法中都有所使用窄间隙焊，特别是熔化极气体保护焊中。就此来看，称其为方法也确切，但如此称呼在逻辑学上并未有考证。
(2) 窄间隙焊和电渣焊、气电焊或高电流密度的埋弧焊是不同的，它是一种多道焊接技术。
(3) 窄间隙焊可采用矩形坡口接头、也可以采用V形但是需要选择坡口角度。与埋弧焊，熔化极气体保护焊等比较而言，窄间隙焊是通过能够使焊炬进入接头的前提来选择坡口角度(有时也很小)。
(4) 窄间隙焊不同于开V形或双V形坡口的常规焊接方法的填充法，它在坡口填充时，焊道数是固定，采用堆焊的方式。
(5) 与埋弧焊或电渣焊相反，窄间隙焊要求的线能量较低。
(6) 和电渣焊以及埋弧焊相比较而言，摇动电弧窄间隙焊可以进行全位置焊接。
1.2.2 摇动电弧窄间隙GMAW的方法
摇动电弧窄间隙焊接工艺，采用了一种带有一定弯曲角度的导电杆，由空心轴电机直接驱动折弯导电杆，带动从导电嘴中心孔送出的焊丝端部电弧绕焊炬中心轴线在工件坡口内作圆弧形往复转动[6]。该工艺方法一方面使电弧中心轴线和坡口两侧壁呈一定的夹角，提高电弧对坡口两侧壁的热输入，增加侧壁熔透，如图11所示；另一方面，一定频率的电弧摇动对熔池有一定的搅动作用，熔池也会随着电弧的往复摇动而有规律的振荡，这种振荡对窄间隙焊缝的成形有着积极作用。
图11 摇动电弧
采用摇动电弧焊接时，利用电弧在坡口中的摇动可以直接对坡口侧壁进行加热，而且有利于分配焊接电弧热量，增宽焊接规范区间而且能够避免产生“指状熔深”。目前使电弧摆动的方法有很多种，如波浪焊丝、麻花状焊丝、折曲焊丝、磁控电弧摆动、旋转射流、高速旋转电弧、摆动电弧等。
(1) 折曲式（波浪式）焊丝窄间隙焊
弯曲式焊丝窄间隙焊原理图如图12所示，这种方法是通过弯丝装备使焊丝盘曲，随着焊丝的熔化，电弧在坡口内实现横向摆动。弯丝机构一种是采用使送丝轮横向往复摆动的方法，称为波浪式；另一种是采取特殊形状的送丝轮，称为折曲式。波浪式方法通过摆动幅度来改变焊丝弯曲程度，进而调整电弧摆动范围，调整的过程简单易于实现，并且可以实现电弧在侧壁附近的短时间停留，摆动频率小于2Hz[7]。折曲式摇动频率可以达到较大值，但是由于在实际生产应用中没有很好的适用性，所以大多数时候还是采用的波浪式焊丝窄间隙焊。
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