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基于磁控技术MIG焊接熔滴行为的模拟研究

作　者: 王小伟
导　师: 江淑园
学　校: 南昌航空大学
专　业: 机械工程
关键词: 磁控技术 MIG焊接电弧形态熔滴过渡数值模拟
分类号: TG444.74
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

焊接电弧形态及能量分布、焊接熔滴形态及过渡形式不仅对焊接工艺的适用范围有着重要影响，还影响着工件的热量分布，与焊接过程稳定性、焊缝组织结晶和力学性能、焊接残余应力等焊接质量问题密切联系。同时，熔滴的过渡形式、形态和过渡频率还决定着焊缝表面光滑度、焊缝成形以及焊接飞溅的大小。通过电磁作用控制焊接电弧形态、能量分布和熔滴过渡过程，是磁控焊接技术实现焊接质量优化的重要途径之一。监测和分析磁控焊接电弧和熔滴过渡过程，对解释磁控焊接技术机理、发展磁控焊接技术应用范围具有重要的现实意义。基于此，本文以MIG焊接电弧和熔滴为控制对象，在焊接过程中引入恒定纵向磁场，借助高速摄像系统观察和对比不同磁场强度作用下焊接电弧形态及熔滴过渡过程。同时，基于FLUENT流体分析软件，建立磁控焊接过程数学模型，采用有限元模拟与工艺试验相结合的手段，探讨外加磁场对MIG焊接电弧和熔滴过渡过程的影响规律。依据流体动力学和电磁学原理，建立了磁控MIG焊接电弧数学模型，以流体分析软件FLUENT为平台，结合UDF程序的二次开发，计算模拟了恒定纵向磁场作用下，MIG焊接电弧等离子流体速度场分布、电弧温度分布及电弧压力分布。在此基础上，使用MATLAB软件对电弧压力分布进行多项式拟合，参与磁控MIG焊接熔滴受力模型的构建，联合纳维—斯托克斯方程，完成磁控MIG焊接熔滴行为动态数学模型的建立。模型借助CSF连续表面张力模型处理熔滴表面张力项，使用VOF流体体积函数实现熔滴自由表面的跟踪和重建。磁控MIG焊接熔滴行为模型的计算结果显示了有无外加恒定纵向磁场作用时，焊接熔滴在长大至脱落过程中形态、内部速度场分布及过渡周期的变化。模拟结果和实验结果具有很好的一致性：合适的恒定纵向磁场作用下，MIG焊接电弧上部收缩、下部扩张，呈钟罩形，电弧温度和等离子体速度略有上升，电弧压力由无外加磁场时的高斯分布转变为中心降低、两端上突的双峰状分布；切向电磁力引起的熔滴旋转使MIG焊接熔滴直径增大、高度减小，呈绕自身轴线旋转的扁球形，熔滴过渡频率较无外加磁场时明显降低。同时，本文分析了产生上述变化的原因，对进一步揭示磁控焊接技术机理有一定的指导意义。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-17
  1.1 课题研究背景及意义  8-9
  1.2 磁控焊接技术研究现状  9-11
  1.3 焊接熔滴过渡数值模拟理论发展现状  11-14
    1.3.1 静力平衡理论  11-12
    1.3.2 质量弹簧理论  12-13
    1.3.3 能量最小理论  13
    1.3.4 收缩不平衡理论  13
    1.3.5 流体动力学理论  13-14
  1.4 FLUENT 流体分析软件及 UDS、UDF 简介  14-15
  1.5 课题主要研究内容  15-16
  1.6 本章小结  16-17
第2章磁控 MIG 焊接工艺试验  17-30
  2.1 试验设备及方法  17-20
    2.1.1 外加磁场发生装置  17-19
    2.1.2 高速摄像平台的搭建  19-20
  2.2 试验方案  20-21
  2.3 试验结果  21-29
    2.3.1 外加磁场对 MIG 焊接电弧形态的影响  21-23
    2.3.2 外加磁场对 MIG 焊接熔滴形态的影响  23-26
    2.3.3 外加磁场对 MIG 焊熔滴过渡频率的影响  26-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章磁控 MIG 焊接电弧数学模型的建立及求解  30-48
  3.1 数学模型  30-34
    3.1.1 基本假设  31
    3.1.2 控制方程  31-33
    3.1.3 方程源项  33-34
  3.2 模型求解  34-40
    3.2.1 计算网格的划分  35
    3.2.2 氩气的物性参数  35-36
    3.2.3 UDS 和 UDF 的定义及编写  36-38
    3.2.4 边界条件的设置  38-39
    3.2.5 求解过程  39-40
  3.3 计算结果与分析  40-46
    3.3.1 电弧等离子流体速度分布  40-42
    3.3.2 电弧温度场分布  42-44
    3.3.3 电弧压力分布  44-45
    3.3.4 结果分析  45-46
  3.4 本章小结  46-48
第4章磁控 MIG 焊接熔滴行为数学模型的建立及求解  48-77
  4.1 数学模型  48-53
    4.1.1 基本假设  49
    4.1.2 控制方程  49-50
    4.1.3 熔滴受力计算模型  50-53
  4.2 模型求解  53-60
    4.2.1 计算网格的划分  53-54
    4.2.2 计算模块的选择和设置  54-55
    4.2.3 二次开发程序（UDF）的编写  55-57
    4.2.4 边界条件的设置  57-58
    4.2.5 数值稳定条件和时间步长的设置  58-59
    4.2.6 求解过程  59-60
  4.3 计算结果与分析  60-76
    4.3.1 熔滴形状及尺寸  61-71
      4.3.1.1 外加磁场 0mT 时熔滴形状及尺寸  61-64
      4.3.1.2 外加磁场 1.0mT 时熔滴形状及尺寸  64-67
      4.3.1.3 外加磁场 1.8mT 时熔滴形状及尺寸  67-71
    4.3.2 熔滴内部瞬态速度场分布  71-74
    4.3.3 熔滴过渡频率  74
    4.3.4 结果分析  74-76
  4.4 本章小结  76-77
第5章结论  77-79
参考文献  79-83
发表论文及参加科研情况说明  83-84
致谢  84-85
附录  85-91

基于磁控技术MIG焊接熔滴行为的模拟研究

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