激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

激光-等离子弧复合焊熔池的流动特性

为了研究激光-等离子弧复合焊接熔池的流动特性,该文建立了焊接过程中液相区、糊状区和固相区的三维模型,采用体热源来模拟小孔效应,并利用有限控制容积法计算了复合焊接熔池的流场和温度场,重点研究了表面张力和电磁力的作用。数值分析结果表明:表面张力流是决定复合焊熔池流动的主要原因,是影响焊接成形的主要因素;与表面张力流相比,电磁力流的强度较低,但可增加熔深和下表面熔宽。针对1420铝锂合金的复合焊工艺试验表明计算结果与试验相符合。     

焊接速度对GTAW三维温度场影响规律的数值分析

基于有限元软件SYSEWELD,采用双椭球体热源模型,建立了运动电弧作用下的GTAW焊接不锈钢薄板三维瞬态焊接热过程的数值分析模型。利用所建模型,预测了焊接速度对三维焊接温度场与熔池形状参数的影响,并进行了试验对比。计算所得焊接温度场与熔池形状特征参数随不同焊接速度的变化规律与实际情况基本一致。     

Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟

利用有限元方法,对Fe-Mn-Si记忆合金平板激光对接焊的温度场和应力场进行三维数值模拟。根据激光焊接特点,建立表面高斯热源和锥形体热源结合的复合热源模型,并编制APDL子程序实现焊接热源的加载和移动。结合材料非线性、相变潜热、边界换热条件等因素,通过模拟计算得到焊接过程中瞬态温度场分布和熔池尺寸,并分析整体温度场分布、焊接热循环特性。焊缝熔合线和尺寸的模拟结果与实际结果吻合良好,验证了模型的正确性。在温度场计算结果基础上,利用间接耦合法,对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊的动态应力场和残余应力进行模拟计算,得到焊后最大残余应力为247 MPa,接近其屈服强度。     

等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟

建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分析模型，以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、焊接速度等焊接工艺参数对其影响情况．综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化／凝固相变潜热等对熔池温度场的影响．采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动力学和传热分析，利用ANSYS有限元软件求解所建立的模型，得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况．模拟结果表明，随焊接电流的增大和焊接速度的减小，熔池体积增加，熔宽和热影响区都增大．试验结果验证了所建立模型的正确性和数值求解方法的可靠性．     

焊接电流对不锈钢GTAW三维焊接温度场影响规律的有限元分析

基于有限元软件SYSEWELD,采用双椭球体热源模型,建立了运动电弧作用下的GTAW焊接不锈钢薄板三维瞬态焊接热过程的数值分析模型。模型考虑了材料的热物理性能参数、相变潜热与温度的非线性关系。利用所建模型,定量地预测了焊接电流对三维焊接温度场与熔池形状尺寸的影响,并进行了试验对比。计算所得焊接温度场与熔池形状特征参数随不同焊接电流的变化规律与实际情况基本一致。     

电弧焊接数值模拟中热源模型的研究与发展

焊接过程的数值模拟作为一种有效的计算手段,在焊接温度场及残余应力分布的评价中获得了广泛应用,而焊接热源模型的选择及模型参数的确定直接影响到计算和评价结果的准确性.本文通过对近年来常用的电弧焊接热源模型进行梳理,介绍了其研究进展,分析了不同热源模型的特点及适用性.高斯面热源模型和双椭球体热源模型作为基础热源模型,广泛应用于较小尺寸工件和规则轨迹的焊接过程数值模拟,且具有较高的计算精度;简化热源模型和温度替代型热源模型多用于大厚工件的多层多道焊接及复杂轨迹焊接过程的数值模拟,能够实现效率和精度的统一;多丝电弧焊接热源较为复杂,采用修正后的双椭球体叠加热源模型,计算结果能保证一定的精度;结合型热源模型对熔池形状的描述更灵活,在深熔电弧焊的数值模拟中具有优势.本文可为电弧焊接过程数值模拟的热源模型选择和模型参数确定提供有益参考.     

异厚度铝锂合金激光焊接温度场数值模拟研究

对异厚度铝锂合金激光拼焊的温度场进行ANSYS三维瞬态有限元分析。用过渡网格划分网格以保证焊缝处网格足够细小,从而提高计算精度和效率。热源模型选取高斯函数分布,移动热源的加载则利用ANSYS软件的APDL语言编写程序实现,同时利用多步循环来实现对激光焊接过程的模拟,得到相应的温度场分布。从模拟结果可看出,激光焊接过程温度场呈椭圆分布,焊件上形成了准稳态温度场。薄厚两板温度场存在差异,薄板温度场范围、熔池尺寸、熔化范围均大于厚板。为研究材料在激光加工过程的性能改变提供参考。     

不锈钢薄板TIG焊三维熔池数值模拟与测量

以TIG焊熔池为研究对象,建立不锈钢薄板三维移动TIG焊熔池的数学模型.模型中考虑浮力、电磁力、表面张力、边界条件和热物性参数.利用Fluent软件,求解控制方程组,得到不锈钢薄板TIG焊接过程运动的熔池形状、温度场和流场.并用激光器发射激光点阵到电弧下方工件,由熔池表面镜面反射于成像屏上,高速摄像获得反射的激光点阵,通过数据恢复处理得到熔池边缘信息,用模拟结果进行对比分析.结果表明,所建立的三维运动熔池的模型是准确的,模拟所获得的1 820K等温线与试验获得的熔池边缘吻合良好,模拟熔池截面与熔透焊缝截面形态也有着较好的吻合.     

铝钢异种金属CMT焊接温度场的数值模拟

利用大型通用有限元软件ABAQUS对铝钢异种金属CMT(cold metal transfer)焊接温度场分布进行数值模拟.计算过程中,采用双椭球热源和高斯热源分别考虑实际焊接时电弧加热和熔滴引入的热量对温度分布的影响.实验结果表明:在特定的工艺参数下,熔池中心的温度为960℃,计算所得到的热循环曲线和试验测得的热循环曲线取得较好的一致.镀锌钢板背面锌熔化的宽度为11mm,与实验结果吻合,所建立的热源模型也是合理的.     

不锈钢薄板大功率激光点焊温度与应力特性研究

以0.5 mm厚的304不锈钢薄板为研究对象,采用热-结构间接耦合法,获取其在3 000 W功率光纤激光器点焊加工过程中温度场和应力场的分布特点及变化特性.在温度场模拟过程中采用修正的锥形热源模型,并将模拟得到的焊点形状与实验得到的形状进行对比.结果显示:运用该修正热源模拟得到的温度场分布特点与实际加工过程相吻合; 模拟得到熔池的凝固速度均在4 000 K·s^-1以上,属于远离平衡态的快速凝固; 在焊接过程中,计算域的最大等效应力均分布在夹具位置,且在熔池周围出现环状的高应力区.     

脉冲激光填丝焊接薄板熔池流动行为分析

本文使用VOF方法对熔池自由表面进行追踪,将焊丝简化为熔滴,建立了脉冲激光填丝焊接薄板三维数值模型,揭示了脉冲激光填丝焊接0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板熔池流动行为,通过焊缝余高尺寸及熔合线形貌验证了模型的可靠性.结果表明,熔滴作用前,熔池上表面区域主要存在由表面张力导致的熔池边缘向熔池中心的流动,最大速度出现在熔池中部且指向熔池下表面,达到了m/s量级;在熔池下表面区域的流动形式是表面张力及熔池中心流动共同作用的结果,在下部形成两个方向相同的涡流;焊丝的熔入对熔池流场有显著的影响,熔滴对熔池的冲击作用改变了熔池原有的对流方向,使表面张力主导的熔池对流特征消失;熔滴熔入过程中熔池最大速度出现在熔滴熔入位置,约为1.74 m/s.在熔滴冲击与熔池表面张力联合作用下,熔池表现出振荡特性,随后熔池内流动再次回到由表面张力驱动的对流形式.激光脉冲结束后,熔池下部固液界面继续向母材区域扩展约3-4 ms,这种现象与激光的脉冲作用、熔池内的流动及Hastelloy C-276的物性参数有关.     

Hastelloy C-276合金脉冲激光焊接熔池流动行为分析

根据传热学和流体力学基本原理建立瞬态Nd:YAG脉冲激光焊接熔池三维数值分析模型,研究Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接过程中熔池液态金属流动的基本规律.利用Fluent软件,采用有限容积法求解控制方程,用SIMPLE算法处理压力与速度耦合.引入Ma来评价焊接熔池的流动特性,并指出了焊接熔池中出现重熔轮廓线的原因.通过与实测温度场对比,验证了所建模型的准确性.模拟分析表明:脉冲激光焊接过程中存在较微弱的Marangoni对流现象;牛顿剪切应力的存在使熔池表层流体对流剧烈.此模型可为Hastelloy C-276合金薄板脉冲激光焊接熔池流体流动行为分析提供理论依据.     

激光熔凝温度场的数值计算

利用激光圆形光斑对和性的特点,建立了激光表面快速熔凝条件下温度的二维数值模型,边界条件点源模型推导,同时采用SIMPLE算法进行计算,在保证精度的条件下简化了计算（相对于三维）,计算结果与实验结果吻合良好,表明这种算法在一定条件下能够凝确的反映激光表面熔凝过程中,熔池纵截面的温度场信息及激光和理熔过程中生长界面的形态。     

双丝GMAW焊熔滴过渡对焊缝形状影响的研究

双丝共熔池GMAW(twin-wire co-pool gas shielded metal arc welding, TCGMAW)熔滴过渡对焊缝成形的影响体现在对熔池的作用上,熔滴对熔池的作用在于向熔池传输能量、动量和质量,最终会影响到焊缝的成形和质量。本文根据高速摄影结果,建立双丝GMAW焊接熔滴过渡的运动轨迹,从理论上分析了熔滴过渡的特点,并根据分析结果建立了贴体坐标系下熔滴带入熔池的热量和动量的数学模型,研究了熔池各个表面上的动量和能量边界条件, 在此基础上进行了焊缝形状的数值模拟,并与实验结果进行了对比分析。结果表明,建立的数学模型是可行的,与实际的试验结果比较吻合。     

一种弧焊机器人熔池图像的快速标定方法

为了获得弧焊机器人焊接过程中熔池的几何尺寸,须在焊接过程中采用摄像机采集熔池图像,并完成系统的标定.将摄像机模型考虑为理想针孔透视模型,采用固定角度和高度对熔池图像进行采集,使标定模型参数缩减至8个,和传统标定方法相比,大大降低了计算量.采用同一平面4个目标点进行了系统标定和实验,理论和实际熔宽平均误差为0.031 mm,因此应用该方法对弧焊机器人熔池图像进行标定是可行的.     

基于实验铝合金激光小孔焊熔池表面速度计算

为了解决激光焊接铝合金熔池表面液态金属流动速度量值化问题,结合高速摄影装置与波动理论,提出了计算激光焊焊接过程中铝合金熔池表面液体流速的计算方法.根据有限深度液体流动模型,波速取决于液体波传播的波长以及液体深度这两个物理量,采用高速摄影对焊接过程中熔池的流动形态进行拍摄,得到进行波的波长;对焊缝截面的熔深进行测量得到液体的深度,可以计算熔池表面液体的流动速度.研究表明,在激光束功率为6 kW,焊接速度分别为0.066 7,0.075,0.083 5 m/s的高速焊情况下,熔池表面的流动速度可达0.065 8,0.064,0.072 m/s.     

激光熔覆产生的熔池温度与对流分析

由激光熔覆产生的熔池的内部存在复杂的传热与传质过程.鉴于熔池的尺度微小以至于难以对其进行实时监控,构建了一个激光熔覆数值模型,对熔池内部的温度分布与对流模式进行了仿真分析.结果表明:熔池的温度梯度非常高,且熔池底部延伸至基体的部分由于高温发生再奥氏体化.熔池内的流体流动主要由Marangoni运动驱动,且熔池内的对流形式为环形对流,最高流速达到0.1m/s.研究结果能够为熔覆层的成型过程及合金粉末在熔池内的传输过程提供理论依据.     

激光熔池温度场检测研究

基于斯蒂藩-玻耳兹曼定律,提出采用电荷耦合器件(CCD)检测熔池温度场的方案,研制了一套CCD检测温度场系统.该系统主要由CCD、光学系统和数据分析软件组成.采用BF1400黑体炉对系统进行了标定,拍摄了不同功率下的CO2激光熔池,经过专用软件分析,得到了激光熔池温度场分布.结果表明该项技术能够实时检测整个熔池表面温度场,属于非接触测量,对熔池温度场无干扰.