熔滴短路过渡建模及熔池三维瞬态行为模拟

更新时间:2023-07-18 09:01:00 阅读: 评论:0

熔滴短路过渡建模及熔池三维瞬态行为模拟
夏胜全;朱志明;孙晓明
【摘 要】针对短路过渡CO2焊接的熔滴过渡随机性强、熔池动态行为复杂的特点,考虑熔滴与熔池短路时刻、短路时刻的熔滴半径、温度和中心位置等随机因素,提出了熔滴短路过渡行为模型。采用非对称高斯热源表征电弧热流密度沿焊接方向的非对称性,采用附加源项法处理熔池各动量源,采用VOF追踪熔池气-液界面,采用液相分数法和焓-孔隙度法处理液-固糊状区熔化金属凝固潜热及动量损失,建立了短路过渡焊接熔池的三维瞬态模型。基于FLUENT软件二次开发,模拟了熔池的动态行为,研究了熔池温度场和流场的瞬态变化。对比等速送丝和脉冲送丝情况,熔滴短路间隔时间的概率密度分布和焊缝成形的模拟与实验结果吻合良好,验证了熔滴短路过渡行为模型和熔池三维瞬态模型的有效性。%For CO2 arc welding with short⁃circuiting transfer, the droplet transfer and dynamic behavior of molten pool are complexity and have strong randomness. Considering the random factors, such as short⁃circuiting time between droplet and molten pool, radius, temperature and central position of droplet at short⁃circuiting time, the model of droplet short⁃circuiting transfer beha
vior is propod and t up. The three⁃dimensional transient model of molten pool is established for arc welding with short⁃circuiting transfer, after the asymmetric Gauss heat source being adopted to characterize the asymmetry of arc heat flux density along welding direction, the additional source term method being ud to deal with many momentum sources, the VOF model being adopted to realize the tracking of gas⁃liquid interface, and the liquid volume fraction method and enthalpy⁃porosity technique being ud to compute the latent heat of molten metal solidification and the momentum loss in the liquid⁃solid mush zone. Bad on the condary development of FLUENT software, the dynamic behavior of molten pool is numerically simulated;the transient evolution of the temperature field and flow field in molten pool is acquainted. The simulation results of probability density distribution of short⁃circuiting time interval and final weld formation agree with experimental data well, the validation of the model of droplet short⁃circuiting transfer behavior and three⁃dimensional transient model of molten pool being demonstrated.
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】2016(048)005
【总页数】6页(P160-165)
【关键词】短路过渡行为模型;熔池动态行为;数值模拟;短路过渡频率;焊缝成形
【作 者】夏胜全;朱志明;孙晓明
【作者单位】中国工程物理研究院,621900 四川 绵阳; 清华大学 机械工程系,100084 北京;清华大学 机械工程系,100084 北京;清华大学 机械工程系,100084 北京
【正文语种】中 文
【中图分类】TG444
CO2气体保护焊因其生产效率高、操作简单、成本低、焊接质量好等特点,在汽车制造、船舶制造、金属结构及机械制造等方面得到广泛的应用[1]. 对直接影响焊缝成形和接头质量的熔滴短路过渡和熔池动态行为开展深入研究,具有重要的现实意义和工程应用价值.
焊接过程的熔滴过渡和熔池动态行为复杂,严重影响对其进行有效的观测和控制,促使很多学者采用数值模拟手段对其进行研究[2-8]. 但现有数值模拟研究很少涉及短路过渡CO2焊接熔池动态行为,这与熔滴短路过渡行为随机性强、熔池动态行为复杂、数学建模存在较大难度有关. 本文充分考虑了短路过渡CO2焊接熔滴过渡行为的随机性,在建立熔滴短路过渡行为模型和熔池三维瞬态模型的基础上,对熔池的三维瞬态温度场和流场及其演变进行了数值模拟研究,并在前期的研究基础上分别针对等速送丝焊接系统和脉冲送丝焊接系统进行分析,对熔滴短路过渡间隔时间的概率密度分布、焊缝成形的数值模拟结果进行了试验验证.
假设带有一定热焓和动量的熔滴在特定时刻进入熔池,对熔池的能量和动量产生影响. 熔滴与熔池短路时刻、熔滴温度和体积等与熔池状态及焊接工艺参数有关.
为简化建模和计算,假设:1)熔池液态金属为粘性不可压缩流体;2)熔滴短路过渡行为的随机性主要体现在熔滴体积、温度及其与熔池短路时刻上.
1.1 熔滴与熔池短路时刻
薄字开头的成语熔滴和熔池是否发生短路与前一次短路过渡结束后的初始弧长和熔滴大小、焊丝送进速度、焊丝熔化、熔滴长大以及熔池的振荡行为等因素有关. 采用高速摄像拍摄熔滴图像,对典型短路过渡周期内燃弧阶段的熔滴直径最大值进行测量,可获得如图1所示的多个短路过渡周期的熔滴直径最大值随时间变化规律,其线性拟合公式为
式中:d为熔滴直径最大值,mm;kd为直线斜率,即熔滴长大速度,mm/s;d0为前一次短路过渡结束后的熔滴直径的初始值,mm.
红舵码头
图1 短路过渡焊接的熔滴直径最大值随时间变化规律
(焊接电流:110 A,电弧电压:14 V)
由图1和式(1)可知,熔滴长大速度kd近似与焊接电流成正比. 假设燃弧初期的弧长为ld(前一次短路过渡结束时,熔滴和焊丝轴线下方熔池最高点的距离),在焊丝持续送进、熔化和熔滴长大及熔池振荡等因素的共同作用下,熔滴和熔池再次发生短路,何时发生短路可根据下式进行判断:
式中:df为焊丝的送进距离,dgrow为熔滴长大引起的位移,dup为熔池最高点相对前一次短书信作文400字
清蒸桂鱼怎么做
路结束时的最高点向上的位移.
式(2)考虑了熔池振荡的影响,从而使特定焊接工艺规范下的熔滴与熔池短路时刻具有了随机性,贴近实际短路过渡焊接过程.
1.2 短路时刻的熔滴半径
对于稳定的焊接过程,焊丝送进速度等于焊丝熔化速度,即
式中:Vfeed为焊丝送进速度,rwire为焊丝半径,ρwire为焊丝密度,Δtdrop为短路间隔时间,MR为单个周期内的焊丝熔化量.
假设熔滴形状为规则的球缺(见图2),则由式(3)可求出熔滴半径rdrop与Δtdrop之间满足
式中ρdrop为熔滴的密度.
由于短路间隔时间Δtdrop具有随机性,于是短路时刻的熔滴半径rdrop也具有随机性.
1.3 短路时刻的熔滴温度
短路时刻的熔滴温度由熔滴热焓和比热确定:
式中:Tdrop为短路时刻的熔滴温度,Hd为温度为Tdrop的熔滴热焓,H1为温度为T1时的低碳钢热焓值,Cdrop为熔滴比热.
文献[9]给出了低碳钢熔滴热焓与焊接电流的关系数据,结合低碳钢比热随温度的变化曲线,可获得熔滴温度Tdrop与焊接电流I的近似表达式为
Tdrop=0.028 25I+ 2 438.3 (50≤I≤250).
1.4 熔滴与熔池短路时的熔滴中心位置
短路行为往往发生在熔滴与熔池距离最小处,如图3中的A点. 然而,寻找A点将涉及对区域内所有单元的遍历,将消耗大量计算时间. 实际焊接时,熔滴短路前的熔池表面曲率半径较大,因此为了减少计算量、提高运行速度,短路点近似采用焊丝轴下方的B点,按如下步骤给出:
1)求出焊丝轴线下方熔池的最高点;
2)加上熔滴半径即得到熔滴中心位置.
建立熔滴短路过渡行为模型之后,进一步建立熔池热力模型,包括焊接热源模型,与熔池热力行为有关的动量源项、液面追踪、液态金属凝固处理.
秋冬滋补养生汤>景甜的背景2.1 焊接热源模型
对典型短路过渡CO2焊接高速摄像进行观察发现,电弧形态沿焊接方向具有非对称性. 因此,采用非对称高斯热源模型,电弧热流密度q(x,y)的表达式为
式中:Q为电弧功率;σs为电弧中心截面上的电弧半宽度;, (xcenter为电弧中心沿焊接方向的坐标,σf和σb分别为沿着焊接方向的电弧前部和后部长度).
非对称高斯热源的具体参数σs、σf和σb通过测量高速摄像的电弧形状和尺寸近似确定. 图4给出了非对称高斯热源参数和电弧尺寸之间的关系示意图.
通过图4测得焊丝直径在图中的长度D值以及图中的电弧前部尺寸Lf和电弧后部尺寸Lb,可以得到σf和σb的大小和相互关系,计算过程中假设σs和σf相等.
逆风如解意容易莫摧残
M.Lu和S.Kou通过实验测定了焊接电流与高斯热源参数之间关系[10],具体应用到CO2短路过渡焊接并参考该关系时,通过添加校正系数k进行校正:
通过已知焊接电流大小的高速摄影,即可以求出相应的k值.
2.2 熔池热力行为处理方法
白蔷薇的花语
CO2气体保护焊焊接熔池的主要作用力如图5所示. Parc为电弧压力,体现了电弧对熔池的作用力,主要方向向下;Pd为熔滴对熔池的冲击力,熔滴过渡进入熔池时,将对熔池造成较大冲击,它和电弧压力引起熔池的下凹变形;σ1和σ2分别为熔池的下表面和上表面张力,平焊时,熔池的上表面下凹,下表面下凸,表面张力均存在方向向上的分量,防止熔池下漏;Gpool为熔池中液态金属所受的重力,平焊时,重力是引起熔池下塌的因素之一;τ为等离子流产生的熔池表面剪切力,造成熔池表面的液态金属以焊丝轴线为中心向四周流动;N为周围坡口“壁面”的支撑力,也是方向向上的作用力. 需要注意的是,由于母材的熔化,此时的“壁面”是固液界面动态分界线(省略糊状区).

本文发布于:2023-07-18 09:01:00,感谢您对本站的认可!

本文链接:https://www.wtabcd.cn/fanwen/fan/89/1086139.html

版权声明:本站内容均来自互联网,仅供演示用,请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系,我们将在24小时内删除。

标签:熔滴   熔池   短路
相关文章
留言与评论(共有 0 条评论)
   
验证码:
推荐文章
排行榜
Copyright ©2019-2022 Comsenz Inc.Powered by © 专利检索| 网站地图