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题名	高效率TIG焊数值模拟与熔池形貌演变研究
作者	董文超
学位类别	博士
答辩日期	2009-05-22
授予单位	中国科学院金属研究所
授予地点	金属研究所
导师	李依依
关键词	数值模拟 活性元素 氧 Marangoni对流 电弧等离子体 熔池形貌
其他题名	Numerical simulation of high efficiency TIG welding and the weld pool shape development research
学位专业	材料加工工程
中文摘要	钨极惰性气体保护焊（TIG或GTAW）焊缝质量高，设备简单，已在现代工业生产中得到较多应用。但TIG焊单道焊缝熔深浅，焊接生产率较低，限制了它的应用。提高TIG焊的焊接效率、获得具有较深焊缝的研究工作一直受到焊接工作者的关注。活性剂焊接技术（A-TIG焊）和混合气体联合保护TIG焊工艺先后被提出，并使焊缝熔深增加，但对其熔深增加机理仍存在较大争议。深入研究高效率TIG焊工艺的特点及其熔深增加机理，对丰富焊接物理理论、开发焊接新工艺和扩展高效率TIG焊在工业生产中的应用具有重要意义。本文应用磁流体动力学基本方程和多孔介质流方程，建立了焊接电弧和高效率TIG焊熔池模型。通过编制用户子程序，以软件FLUENT6.2作为求解器，研究了高效率TIG焊熔池中流体流动和传热过程，分析了表面活性元素氧对熔池中流体流动方式的影响，并将焊接电弧与移动高效率TIG焊熔池模型耦合求解，分别研究了氩气和氦气下，焊接工艺参数和活性元素氧含量对熔池内流体流动和传热过程的影响。 首先建立了定点高效率TIG焊熔池的数值模型，研究了活性元素氧对熔池内对流运动和熔池形貌的影响。结果表明：随着熔池中活性元素氧含量的增加，熔池内的对流模式经历了以外对流为主、内外对流共存到以内对流为主的演变过程，熔池形貌由浅宽形、“勺”形变成深窄形。熔池形貌的实验结果与模拟结果定性吻合较好。液态熔池数值模拟和实验研究表明：熔池内活性元素氧含量的变化导致Marangoni对流方向的变化是熔深增加的主要因素之一。 为充分考虑焊接电弧对液态熔池形貌演变的影响，在定点高效率TIG焊熔池模拟基础上，开展了焊接电弧数值模拟研究。建立了焊接电弧模型，并利用已有的实验数据验证了模型的合理性，然后运用该模型模拟了氩弧、氦弧和氮弧三种电弧的特性参量。结果表明：在相同焊接工艺参数下，氦弧和氮弧的电弧特性参量均要高于氩弧的相应值；氦气的低电导率和氮气的高比热导致氦弧和氮弧比氩弧更加收缩。焊接电流和电弧长度对氩弧、氦弧和氮弧的热流密度、电流密度和气体剪切力在阳极表面的分布有重要影响。 将由焊接电弧模型计算得到的阳极表面热流密度、电流密度和气体剪切力作为熔池模型的上表面边界条件，实现焊接电弧模型与移动高效率TIG焊熔池模型的顺序耦合求解，使模拟结果更加接近真实焊接过程。运用该模型模拟分析了氩弧和氦弧下，焊接电弧（气体剪切力）、活性元素（Marangoni对流）、电磁力和浮力对熔池内对流运动和熔池形貌的影响。结果表明：随着活性元素氧含量的增加，焊缝深宽比（D/W）迅速增大，然后趋于一定值，并且在熔池中会出现数目、大小、方向和位置均不同的涡流，形成了不同的熔池形貌。通过对比氩弧与氦弧在相同焊接工艺参数和活性元素氧含量下的熔池形貌发现，由于氦弧下熔池中由电磁力引起的内向对流运动加强，可获得比氩弧下具有更深熔深的焊缝。不同的焊接工艺参数改变了熔池表面的温度分布，从而影响了Marangoni对流的强度和熔池形貌。熔池形貌实验结果与模拟结果在定量尺寸上得到了较好吻合。 通过模拟在氩弧和氦弧下熔池中四种驱动力即浮力、电磁力、表面张力和气体剪切力单独作用时熔池的温度场和速度场发现，无论是在氩弧还是氦弧下，表面张力是影响熔池形貌的最主要驱动力。在氩弧下，影响熔池形貌的另一个重要的驱动力是气体剪切力；而在氦弧下，由于氦弧的收缩导致更多的热量和电流密度传递到焊件，使得熔池中的电磁力对熔池形貌的影响增大。
语种	中文
公开日期	2012-04-10
页码	137
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17125]
专题	金属研究所_中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	董文超. 高效率TIG焊数值模拟与熔池形貌演变研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2009.

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