氧含量对TIG焊瞬态熔池行为影响的数值分析

建立定点高斯热源作用下TIG熔池的三维瞬态数学模型,考虑焊接熔池内各项散热、焊件内部及表面传热、相变潜热、材料热物理性能参数随温度变化等问题,运用FLUENT软件及其UDF的二次开发功能,模拟不同氧含量对熔池温度场及速度场的影响.结果表明:表面张力温度系数发生转变时的临界温度对熔池温度场和速度场有着决定性影响,该临界温度随氧含量的增加而增加,并且随着氧含量增加逐渐向熔池中心靠近.随着临界温度线的转移,表面张力发生改变,熔池内的Marangoni对流也因此改变,进而使得熔池形貌从低氧含量时浅而宽的形状变成为高氧含量时的深且窄的形状.     

钨极惰性气体保护焊熔池三维自由表面特征参数的激光视觉测量

摘要： 针对现有的钨极惰性气体保护焊熔池三维自由表面测量方法难以应用于强弧光、高温辐射、液态金属表面镜面反射等问题,提出一种激光视觉测量法. 利用小功率点或线阵模式结构激光照射覆盖整个熔池表面,采用高速摄像机实时采集经熔池液态金属表面反射畸变的激光图像.设计图像处理算法提取成像激光点位置坐标,建立与投射激光点位置坐标的空间转换数学模型,离线获得熔池三维自由表面的几何特征参数值,对比实测凝固熔池表面对应参数值发现,所提取的几何特征参数值与实测值吻合较好,熔宽、长度和凸度误差分别为0.8%、0.6%和4.7%,证明激光视觉法能够实现熔池自由表面三维信息的动态测量,为采用几何特征参数调整熔池自由表面形貌变化控制焊缝成形及缺陷提供一种新方法.     

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.     

中厚板低频脉冲TIG打底焊的电弧形态及熔池行为

针对中厚钢板传统背衬板手工打底焊接工艺存在的效率低、工序复杂、过程稳定性差等问题,采用低频率、大占空比的脉冲TIG方法来实现无衬板5 mm大钝边16MnR钢的单面焊双面成形.利用高速摄像详细观察了焊接电弧穿过熔孔的被压缩过程,统计分析了一定焊接速度下电弧尾焰偏转角度和长度与焊缝熔透的相关性.实验结果表明:在一定焊接规范下,电弧熔化钝边形成孔状熔池,穿过熔孔的电弧尾焰偏转角度和长度均与焊接速度呈负相关,且与焊缝熔透程度约呈现正相关,通过观测电弧尾焰尺寸,可对打底焊时焊缝的熔透程度做出预判;电弧周期性变化的热力耦合作用增强了熔池液态金属的搅拌及对流作用,在表面张力、重力、电弧力以及气体吹力的共同作用下,熔孔侧壁上的液态金属向熔池边缘及底部流动,增强了熔池中的热传导,能有效增加焊缝熔深.     

气体熔池耦合活性TIG焊弧长影响电弧压力机理的数值分析

针对气体熔池耦合活性TIG(GPCA-TIG)焊电弧压力随弧长增加而减小的现象,运用FLUENT软件及其UDF的二次开发功能,建立GPCA-TIG焊电弧的二维轴对称稳态模型,通过提取相同电流不同弧长等离子体轴向的电磁力和粘度,分析电弧压力随弧长增加而减小的机理.结果表明:随着弧长增加,沿电弧轴向的电磁力几乎没有变化,而近阳极表面的氩等离子体温度下降使其粘度增大,最终导致氩等离子体沿电弧轴向的流速下降,阳极表面的电弧压力下降.     

钨极惰性气体保护焊熔池表面三维恢复算法及其可视化

摘要： 针对焊接熔池具有高动态、不规则的镜面等特性,在已有的熔池表面激光点阵熔池镜面反射三维恢复算法的基础上,建立了为实现钨极惰性气体保护焊熔池表面三维恢复的数学模型.对于不同的三维凸面和三维凹面,利用新的算法来实现熔池表面的三维恢复,激光经过不同的三维面形反射后在成像屏上形成不同分布的激光点阵,并编写相应程序进行了可视化研究.结果表明：所建立的数学模型根据成像屏上形成的激光点阵分布的高低程度不同、紧密程度不一致等,反映出熔池表面高低形态的变化趋势,但要能更准确地反映动态的三维熔池表面,需添加更多的约束条件.     

基于FLUENT的TIG焊三维熔池热场与流场的数值模拟

用FLUENT软件对TIG焊三维熔池进了数值模拟,考虑熔池金属流体的湍流、相变潜热、材料热物理性能参数随温度变化等问题。结果表明,FLUENT可以很方便地对TIG焊接过程进行数值模拟,给出的可视化图形结果可以直观地显示熔池内部热场与流场的分布状况。对研究和指导焊接过程具有积极的意义。     

熔池表面Marangoni力诱导的表面速度奇异现象

通过对焊接熔池流体流动与传热过程控制方程组、合金元素气化方程、Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力方程以及其他辅助方程的耦合求解,定量计算了ＦｅＣｒＮｉＳ合金系中具有不同Ｓ含量时焊接熔池的表面温度分布和浮力、电磁力、Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力共同作用下的表面速度分布．结果表明,在微量的Ｓ含量条件下,熔池表面上的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力会出现一个最大值．随Ｓ含量增大,Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力减小,Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力的最大值对应的温度增大．在Ｍａｒａｎｇｏｎｉ力诱导下,熔池内会形成两个方向相反的涡流环路,它们具有不同的温度,并在熔池表面上逆向而流,相遇处产生很大的温度梯度,从而在该部位引发表面速度奇异峰值．当Ｓ含量较小时,表面速度奇异峰值发生在液相线前沿,当ｗ（Ｓ）大于０．０３％时,速度奇异性消失．     

激光加工熔池自由液面特性

针对激光加工过程中,熔池自由液面的静态特性,从熔池自由面的表面张力变化入手,应用热焓源项法和多孔介质模型,发展了对金属流体区和固体区统一的数值分析方法,揭示了熔池内部的流动、换热规律和熔池自由面的表面张力分布.通过熔池自由面的静态受力分析,结合熔池内计算结果,分析了对熔池自由面形状的形成.应用该模型对AISI304不锈钢的某一激光加工过程求解,分析了不同加工工艺以及工件物性对熔池自由面形状的影响.     

铜包铝线材TIG焊熔池宽度的最佳检测与控制

文章针对铜包铝线材TIG焊焊接速度快、所采用的铜板很薄、熔池宽度很小的特点,设计了一种采用视觉传感器在近弧区对熔池进行取像的熔池宽度实时检测与控制系统.采用CCD视觉传感器在焊接方向钨极的后方采集焊接熔池图像;利用视频处理电路对视频信号进行处理,获得熔池边缘信息;依此信息采用改进的模糊控制器对弧焊电源的电流进行快速控制,从而实现对熔池宽度的控制;实验结果表明,该系统的熔宽偏差、检测误差能够很好地满足生产要求.     

Features of molten pool free surface in laser processing

On the basis of static characteristics of free surface of molten pools in laser processing, starting with the change of surface tension, the uniform numerical models are developed for both the liquid and solid regions of metals by applying the enthalpy source method and the porous region model. The flow and heat transfer characteristics in the molten pools and the distribution of surface tension on free surface are disclosed. The shape of free surface is analyzed by considering the static forces on the free surface and by combining with the calculated results of the molten pool. The model is applied to analyzing the laser processing of AISI 304 stainless steel, and the effects of different processing tech nics and material properties on shaping of free surface are discussed.     

钨极氮弧焊焊接电弧数值分析

以直流钨极氮弧焊电弧为研究对象,根据磁流体动力学理论构建轴对称两维数学模型,建立模型时考虑阴极的几何形状,在此模型上对氮气保护TIG焊接电弧进行数值分析．数值模拟所得电弧等离子体温度分布规律显示氯气电弧的最高温区出现于近阳极区域,这个结果与试验情况相当吻合,并与相同条件下氩气电弧的温度场进行了比较．在此基础上对电弧压力和电流密度以及等离子速度场进行了模拟分析;同时分析了不同电流和弧长对等离子流速度分布的影响,结果表明等离子体速度值随着电流的增加而增大。随着弧长的增加而减小．     

激光加热熔池流动的数值模拟

在表面张力驱动的熔池流动中表面附近存在着很大的速度梯度,因此在有关熔池流动的数值模拟中,对该速度变化急剧的表面层作了特殊考虑,采用对包含该表面层的薄层和对此薄层以外的其余区域分别求解并相互耦合的方法,得出模拟结果;该结果与把熔池作为一个整体进行求解所得到的结果相似.     

考虑自由表面的活性TIG焊熔池温度场与流场的数值分析

针对不锈钢定点活性TIG焊,采用焓-孔隙度法处理液-固相变化,采用流体体积(VOF)方法追踪熔池自由表面变形,考虑熔池所受电磁力、表面张力和电弧压力,建立三维非稳态熔池的数学模型.通过比较考虑和不考虑自由表面变形时熔池的温度场和流场,研究自由表面变形对活性TIG焊熔池中的传热和流体流动行为的影响.结果表明:当考虑熔池自由表面变形时,由于熔池中的对流现象减弱,使得最高温度增加,熔深变浅,熔宽增加,深宽比减小.考虑自由表面变形时熔池形貌更接近实际情况.     

旁路耦合电弧MIG焊熔池边缘提取算法

对一种新型高效多弧焊接方法——旁路耦合电弧MIG焊(DE-GMAW)在连续大电流焊接条件下的焊接熔池图像进行被动视觉采集和熔池边缘提取算法研究,为降低熔池周围电弧信号对边缘提取结果的影响,提出一种新的图像预处理算法,并在对比6种微分算子边缘提取结果的基础上,提出一种新的熔池边缘提取算法.结果表明:新的图像预处理算法可以...     

求解渗流自由面的有限元混合不动点法

基于有自由面渗流分析的高斯点,建立了求解渗流问题的非光滑非线性方程组模型和求解此类问题的有限元混合不动点算法,此方法属于固定网格法,只需划分一次网格,不需要对数据做任何近似处理,完全利用程序迭代计算渗流自由面.讨论了非光滑方程组解的存在性和该不动点算法的收敛性,通过节点压强插值绘制出渗流自由面.算例结果表明,该方法简单且收敛速度快.对不动点法的收敛性分析为迭代法的收敛提供了理论依据.     

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。     

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。     

容器中自由液面波动的三维数值模拟

跟踪自由表面的流体体积函数法（ＶＯＦ方法）建立在部分流体体积基础上，是解决具有表面张力的液面波动问题的一种有效方法，该方法可利用部分单元体处理曲边界和内部障碍物。本文介绍了ＶＯＦ数值计算方法的基本原理，并用ＶＯＦ方法编制了程序，模拟计算了容器中具有自由表面的三维、非定常液面波动问题，得到了典型流动模型的计算结果，结果与物理分析相吻合，证明ＶＯＦ方法是解决具有表面张力的自由液面波动问题的一种有效方法，可为工程设计提供理论依据。