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不同材料激光焊与电弧焊的等效功率及基于温度场的分析

作　者: 于宁
导　师: 林尚扬；秦国梁
学　校: 机械科学研究总院
专　业: 材料加工工程
关键词: Nd:YAG激光焊 P-GMAW 等效功率焊缝熔深温度场数值模拟
分类号: TG456.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

的,当激光电弧复合功率小于等效功率时,焊缝熔深主要取决于激光,而当复合功率高于等效功率时,电弧对熔深起主导作用。基于此现象,本文主要目的是为了研究激光+电弧复合热源焊接过程形成激光焊缝熔深的等效功率。对铝合金、碳钢及不锈钢三种材料进行了2 kW Nd:YAG激光焊和脉冲熔化极气体保护电弧焊(P-GMAW,Pulsed Gas Metal Arc Welding)的工艺实验,基于形成相等的焊缝熔深,研究了P-GMA(P-GMA,Pulsed Gas Metal Are)功率与2 kW CWNd:YAG激光功率的等效性,即在相同的焊接速度下,将P-GMAW能够获得与2 kW CW Nd:YAG激光焊相同熔深的P-GMA功率,定义为2 kW Nd:YAG激光的等效P-GMA功率,而将其与2 kW Nd:YAG激光功率的比值定义为等效比。通过试验测定了铝合金、碳钢及不锈钢三种材料的2 kW Nd:YAG激光功率的等效P-GMA功率,并通过数值模拟分析研究等效功率的主要影响因素。试验结果表明,对碳钢和不锈钢两种材料来说,形成相同的焊缝熔深,2 kW Nd:YAG激光的等效P-GMA功率都是随焊接速度的增大而增大。对碳钢,当焊接速度从0.5m/min提高到1.75m/min,2kW Nd:YAG激光的等效P-GMA功率从9.8 kW增大到12.8 kW,等效比从4.9增大到6.4;而对不锈钢,当焊接速度从0.6m/min提高到1.6m/min,其等效功率和等效比分别从8.4 kW增大到13.4kW和从4.2增大到6.7。对铝合金来说,2 kW Nd:YAG激光的等效P-GMA功率及其等效比随焊接速度的增大而减小,当焊接速度从0.6m/min提高到1.6m/min,等效功率从4.2 kW减小到3.7 kW,等效比从2.1减小到1.85。对试验结果分析认为,激光吸收率、电弧热效率和材料的热物理参数是2 kW Nd:YAG激光等效P-GMA功率的主要影响因素。基于双椭球热源模型模拟了P-GMAW焊接温度场,并基于温度场的模拟结果求解了焊缝熔深。在模拟过程中发现,随着焊接速度的变化,电弧热效率也随之发生变化,且变化规律随材料不同而不同:随着焊接速度提高,铝合金电弧热效率提高,碳钢和不锈钢电弧热效率降低。根据激光深熔焊成型的特点,构建了“圆柱体-指数衰减”式热源模型,模拟了2 kW激光深熔焊焊接温度场和焊缝成型,从模拟过程中发现,焊接速度的变化对激光吸收率的影响并不大。根据所建立的2 kW Nd:YAG激光焊接模型和P-GMAW焊接模型,计算2 kW Nd:YAG激光的等效P-GMA功率表明,电弧热效率是影响等效功率的重要因素,它决定了等效功率及等效比随焊接速度的变化趋势。材料的热物理参数不仅影响焊缝成型,也是影响不同材料等效功率的重要因素。材料本身的热物理参数对电弧热效率随焊接速度的变化规律也有一定的影响。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-25
  1.1 等效功率概念的提出  14-15
  1.2 国内外焊接温度场数值模拟研究现状  15-19
  1.3 激光焊接温度场数值模拟国内外研究现状  19-21
  1.4 熔化极气体保护电弧焊温度场数值椟拟国内外研究现状  21-24
  1.5 本文主要研究内容  24-25
第二章等效功率的确定和焊接工艺试验方法  25-39
  2.1 试验装置  25-27
  2.2 试验材料  27-29
    2.2.1 试验材料参数及性能  27-28
    2.2.2 试验材料尺寸  28-29
    2.2.3 保护气体  29
  2.3 等效功率焊接工艺实验  29-33
    2.3.1 试验方法  29-30
    2.3.2 试件表面处理  30
    2.3.3 焊接工艺试验  30-33
  2.4 等效功率的确定  33-37
    2.4.1 碳钢等效功率的确定  34-35
    2.4.2 铝合金等效功率的确定  35-36
    2.4.3 不锈钢等效功率的确定  36-37
  2.5 本章小结  37-39
第三章电弧焊温度场的数值模拟  39-51
  3.1 焊接温度场数值模拟基本理论  39-40
  3.2 有限元网格模型  40-42
  3.3 初始条件与边界条件  42-43
    3.3.1 初始条件  42
    3.3.2 边界条件  42-43
  3.4 焊接热源模型处理  43-44
  3.5 温度场模拟结果及分析  44-49
    3.5.1 铝合金P-GMAW温度场模拟  45-46
    3.5.2 不锈钢P-GMAW温度场模拟  46-48
    3.5.3 碳钢P-GMAW温度场模拟  48-49
  3.6 本章小结  49-51
第四章激光焊温度场的数值模拟  51-58
  4.1 有限元网格模型  51-52
  4.2 焊接热源模型处理  52
  4.3 初始条件与边界条件  52-54
    4.3.1 初始条件  53
    4.3.2 边界条件  53-54
  4.4 温度场模拟结果及分析  54-57
    4.4.1 铝合金激光焊温度场模拟  54-55
    4.4.2 不锈钢激光焊温度场模拟  55-56
    4.4.3 碳钢激光焊温度场模拟  56-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章等效功率数值模拟分析  58-72
  5.1 等效功率随焊接速度变化  58-62
    5.1.1 铝合金等效功率模拟结果  58-59
    5.1.2 不锈钢等效功率模拟结果  59-60
    5.1.3 碳钢等效功率模拟结果  60-62
  5.2 焊接热效率对等效功率的影响  62-68
    5.2.1 铝合金焊接电弧热效率随焊接速度变化的分析  63-65
    5.2.2 不锈钢焊接电弧热效率随焊接速度的变化  65-66
    5.2.3 碳钢电弧热效率随焊接速度的变化  66-67
    5.2.4 三种材料电弧热效率随焊接速度的变化比较  67-68
  5.3 材料热物理参数对等效功率的影响  68-70
  5.4 温度场数值模拟误差分析  70-71
    5.4.1 P-GMAW温度场模拟过程误差分析  70
    5.4.2 2kW Nd:YAG激光温度场模拟过程误差分析  70-71
  5.5 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文  78-79
致谢  79

不同材料激光焊与电弧焊的等效功率及基于温度场的分析

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