考虑栅片烧蚀金属蒸气的栅片切割空气电弧仿真与实验研究

基于磁流体动力学理论(MHD)建立了考虑栅片烧蚀金属蒸气的三维空气电弧模型,对模型灭弧室内的的电弧跑动及切割过程进行了数值仿真与实验研究.在传统的质量,动量,能量守恒方程中引入了金属蒸气浓度方程耦合求解用于描述灭弧室内金属蒸气的对流与扩散.在计算中考虑了金属蒸气对于电弧等离子体热力学参数和输运参数的影响.通过计算获得了电弧运动及切割过程的电弧电压,温度分布,金属蒸气浓度分布,灭弧室内流场变化等,分析了由于金属蒸气存在引起的电弧等离子体电导率的变化在切割过程中对于电弧行为的影响.为了验证仿真模型的有效性,进 关键词： 金属蒸气 空气电弧 仿真分析 电弧切割     

双面电弧焊接的传热模型

将等离子焊接(PAW)电弧和钨极氩弧焊(TIG)电弧串接,相对作用于工件的正反面形成双面电弧焊接(DSAW)系统,可以引导焊接电流沿工件厚度方向流过小孔,补偿等离子电弧穿透工件时消耗的能量,以有效地提高等离子弧的穿透能力.综合考虑影响双面电弧焊接正反面熔池几何形状的力学因素,建立了熔池表面变形的控制方程,以此为基础并采用帖体曲线坐标系建立了DSAW焊接传热的数学模型,分析了DSAW,PAW焊接传热的差异,从传热的角度解释了DSAW焊接熔深增加的原因.焊接工艺实验表明,计算结果与实测结果吻合良好. 关键词： 双面电弧焊接(DSAW) 传热模型 熔池表面变形模型     

等离子弧焊接多物理场耦合输运模型

本文基于电场、磁场、温度场和流场的多物理场耦合,建立了简单实用的电弧与工件一体化模型,既准确表征等离子弧焊接过程中的多物理场输运作用,又无需使用流体体积函数(VOF)计算气液两相界面,大大减少计算时间和成本。模型计算出电弧压力分布,将其简化为压力源项作用于工件表面,同时该界面上电弧与工件耦合传热,实现了电弧与工件的热-力传递。获得了焊接过程电弧和工件的温度、速度、电流密度和电磁力的分布规律,揭示了焊接熔池的形成和演变机制,并开展实验验证了模型的准确性。最后分析了不同工艺参数对电弧热流密度和压力的影响规律,为焊接质量优化提供理论指导。     

熔池表面形状对电弧电流密度分布的影响

电弧电流密度分布决定着电弧热流密度、电弧压力的分布,是了解焊接电弧物理本质,建立 焊接过程数学模型的基础.根据电弧物理的基本原理,建立了电弧电流密度在变形熔池表面 上的分布模型,定量分析了熔池表面形状对电流密度分布的影响规律.计算表明,电流密度 在电弧中心线附近呈双峰分布,在离开电弧中心线一定距离处变为单峰分布,熔池表面形状 对电流密度分布有明显的影响.基于该模型计算的焊缝几何形状与实测结果符合得较好. 关键词： 熔池表面变形 电流密度 分布模型     

考虑液面凹陷时金属熔化与蒸发的数值研究

将关于液面凹陷的Young-Laplace方程与关于金属溶池的流体力学方程组及关于金属蒸发的ＢＧＫ方程联立求解，在给定的电子枪加热条件下，获得了熔池流场和温度场图像及金属蒸气密度、速度和温度分布.数值计算结果表明，随电子枪功率增加，金属的蒸发速率增加，蒸气的密度增大、温度降低而速度升高.与假设液面为平面的情况相比，考虑液面凹陷后求得的液面温度较低，金属的蒸发速率较小，并且这种差别随电子枪功率的增加而扩大.因此对于高功率电子枪加热金属蒸发，必须考虑液面凹陷的影响才能得到符合实际的结果. 关键词： 液面凹陷 Young-Laplace方程 熔池 金属蒸发     

激光感生等离子体特性的三维数值模拟

在激光焊接过程中,作用于金属工件表面的高强度激光会引起材料的强烈蒸发,金属蒸汽与入射激光相互怍用,又会引起金属蒸汽部分电离,形成激光感生等离子体。本文采用三维模拟方法,考虑保护气和侧吹气的影响,对激光感生等离子体中的温度与速度分布进行了研究。     

基于光谱诊断的脉冲GMAW焊金属蒸汽动态扩散行为研究

理解脉冲GMAW焊电弧物理的动态特性对解释这一焊接方法的内在机理及获取优化控制策略有重要意义,通过在高速摄影前加窄带滤波片的方法研究了脉冲GMAW焊接过程中不同粒子的扩散行为,同时采用光谱仪研究了不同状态下金属与蒸汽保护气氛谱线的强度分布信息,采用气体状态方程、等离子体准中性方程、和Saha方程计算了脉冲GMAW焊接峰值和基值两种不同状态下的金属蒸汽浓度分布。研究结果显示,在峰值时刻,金属蒸汽被约束在电弧中心1 mm左右的范围内,当电流从峰值跳转到基值时刻,金属蒸汽从中心扩散到电弧外围区域,峰值时刻中心金属浓度约为75%,而基值仅为35%左右。     

采用双分布函数格子Boltzmann方法的直流氩等离子体流动与传热分析

本文采用双分布函数格子Boltzmann方法(DDF-LB)模拟了直流氩电弧等离子体中的流动与传热问题。针对非局域热平衡状态下热等离子体中的原子、离子和电子三种组分,推导给出了不同组分的格子Boltzmann方程,通过耦合迭代求解得到各组分的温度和速度分布。文中采用随温度变化的松弛时间用以提高数值计算的稳定性。通过将本文的计算结果与文献结果进行比较,验证了DDF-LB方法求解等离子体中能量输运问题的稳定性和数值精度。     

电磁力及其对MIG焊接熔池流场的影响

MIG焊接熔池具有不规则的表面边界,温度较高且分布极不均匀,在电磁力、浮力、表面张力等的作用下发生剧烈运动.基于熔池表面变形较大时电弧电流密度的双峰分布模型,建立了电磁力的计算模型.采用数值模拟技术研究了熔池中的流体力学行为,揭示了焊接工艺参数对熔池流场的影响规律.实验表明,计算与实测结果符合良好.     

电磁力及其对MIG焊接熔池流场的影响

MIG焊接熔池具有不规则的表面边界,温度较高且分布极不均匀,在电磁力、浮力、表面张力等的作用下发生剧烈运动.基于熔池表面变形较大时电弧电流密度的双峰分布模型,建立了电磁力的计算模型.采用数值模拟技术研究了熔池中的流体力学行为,揭示了焊接工艺参数对熔池流场的影响规律.实验表明,计算与实测结果符合良好.     

电弧特性及其对熔池形貌影响的数值模拟

通过电弧模型与熔池模型耦合数值模拟,研究了氩弧和氦弧特性及其对SUS304不锈钢钨极惰性气体保护（TIG）焊熔池形貌的影响.通过比较氩弧和氦弧的温度轮廓线以及阳极表面电流密度和热流密度分布发现,氦弧的径向距离比氩弧收缩明显,导致更多热量传递给阳极.模拟了氩弧和氦弧下浮力、电磁力、表面张力和气体剪切力分别对熔池形貌的影响.结果表明：不论是在氩弧还是在氦弧下熔池中表面张力是影响熔池形貌的最主要驱动力.在氩弧下,影响熔池形貌的另一个重要的驱动力是气体剪切力,而氦弧下则是电磁力.由于电磁力引起的内对流运动增加了熔深,从而导致相同氧含量时氦弧下的熔深和焊缝深宽比要高于氩弧下的熔深和焊缝深宽比.随着氧含量的增加,氩弧和氦弧下的焊缝深宽比均先增加而后保持不变.焊缝深宽比的模拟结果与实验结果符合较好. 关键词： 氩弧 氦弧 电弧特性 熔池形貌     

Numerical analysis of plasma arc physical characteristics under additional constraint of keyhole

The physical characteristics of a plasma arc affect the stability of the keyhole and weld pool directly during keyhole plasma arc welding(KPAW). There will be significant change for these characteristics because of the interaction between the keyhole weld pool and plasma arc after penetration. Therefore, in order to obtain the temperature field, flow field, and arc pressure of a plasma arc under the reaction of the keyhole, the physical model of a plasma arc with a pre-set keyhole was established. In addition, the tungsten and base metal were established into the calculated domain, which can reflect the effect of plasma arc to weld pool further. Based on magneto hydrodynamics and Maxwell equations, a two-dimensional steady state mathematical model was established. Considering the heat production of anode and cathode, the distribution of temperature field, flow field, welding current density, and plasma arc pressure were solved out by the finite difference method. From the calculated results, it is found that the plasma arc was compressed a second time by the keyhole. This additional constraint results in an obvious rise of the plasma arc pressure and flow velocity at the minimum diameter place of the keyhole, while the temperature field is impacted slightly. Finally, the observational and metallographic experiments are conducted, and the shapes of plasma arc and fusion line agree with the simulated results generally.     

电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.     

Real-time monitoring of laser welding of galvanized high strength steel in lap joint configuration

Two different cases regarding the zinc coating at the lap joint faying surface are selected for studying the influence of zinc vapor on the keyhole dynamics of the weld pool and the final welding quality. One case has the zinc coating fully removed at the faying surface; while the other case retains the zinc coating on the faying surface. It is found that removal of the zinc coating at the faying surface produces a significantly better weld quality as exemplified by a lack of spatters whereas intense spatters are present when the zinc coating is present at the faying surface. Spectroscopy is used to detect the optical spectra emitted from a laser generated plasma plume during the laser welding of galvanized high strength DP980 steel in a lap-joint configuration. A correlation between the electron temperature and defects within the weld bead is identified by using the Boltzmann plot method. The laser weld pool keyhole dynamic behavior affected by a high-pressure zinc vapor generated at the faying surface of galvanized steel lap-joint is monitored in real-time by a high speed charge-coupled device (CCD) camera assisted with a green laser as an illumination source.     

基于CCD的金属直接成型过程监控系统

采用等离子弧三维焊接直接制造金属零件的快速成型方法是一种新型的制造工艺,为了实现成型过程中的精度控制,采用了CCD视觉监控系统,为了避免弧光干扰,分析了等离子弧光的光谱特性,设计了光学滤光系统.通过对熔池图像进行二值化处理,并采用模糊PID的控制策略对焊接熔池进行控制,试验结果证明可以改善成型质量.     

等离子弧焊接熔池演变过程的模拟和验证

本文建立了描述等离子弧焊接熔池相变传热与流动的三维数理模型,考虑表面张力、电磁力和浮升力的作用,并针对等离子弧焊接特点,改进组合式体积热源模型,上部采用双椭球热源,下部采用圆锥体热源。重点分析了焊接熔池形状和温度场的演变过程,熔合线的模拟形状与实验焊缝吻合,较好地呈现了焊缝的凸起和熔池宽度,验证了数学模型和热源模型的正确性。本文还进一步开展了焊接功率和焊接速度的影响分析。研究结果表明,流动对焊缝形状的影响不容忽略,而表面张力在三个流动驱动力中占主导地位;焊接功率越大,焊接速度越小,越有利于焊件焊透,数值模拟得到优化的焊接功率和速度有益于实际焊接生产质量及效率。     

3D transient multiphase model for keyhole,vapor plume,and weld pool dynamics in laser welding including the ambient pressure effect

The physical process of deep penetration laser welding involves complex, self-consistent multiphase keyhole, metallic vapor plume, and weld pool dynamics. Currently, efforts are still needed to understand these multiphase dynamics. In this paper, a novel 3D transient multiphase model capable of describing a self-consistent keyhole, metallic vapor plume in the keyhole, and weld pool dynamics in deep penetration fiber laser welding is proposed. Major physical factors of the welding process, such as recoil pressure, surface tension, Marangoni shear stress, Fresnel absorptions mechanisms, heat transfer, and fluid flow in weld pool, keyhole free surface evolutions and solid–liquid–vapor three phase transformations are coupling considered. The effect of ambient pressure in laser welding is rigorously treated using an improved recoil pressure model. The predicated weld bead dimensions, transient keyhole instability, weld pool dynamics, and vapor plume dynamics are compared with experimental and literature results, and good agreements are obtained. The predicted results are investigated by not considering the effects of the ambient pressure. It is found that by not considering the effects of ambient pressure, the average keyhole wall temperature is underestimated about 500 K; besides, the average speed of metallic vapor will be significantly overestimated. The ambient pressure is an essential physical factor for a comprehensive understanding the dynamics of deep penetration laser welding.