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.     

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     

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。     

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。     

焊接电弧中电磁力的分析

在电焊过程中,焊接电弧不仅是一个热源,而且也是一个力源.焊接电弧产生的电磁力,与焊缝的熔深、熔池的搅拌、熔滴过渡以及焊缝成形等都有直接关系.     

MIG焊接熔池表面形状与熔滴热焓量分布的数学模型

综合考虑熔滴与熔池相互作用的物理过程,建立了描述熔池表面变形的数学模型和熔滴热焓量在熔池内部的分布模型,应用数值模拟技术分析了焊接工艺参数对熔池表面形状,熔滴热焓量分布区域,焊缝成形的相互影响规律,并进行了焊接工艺试验。     

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     

由单幅图像恢复物体三维形状的应用研究

由阴影恢复物体表面形状的方法是计算机三维视觉领域中的一个重要分支。首先给出了利用多幅图像由阴影恢复物体表面三维形状算法的计算结果 ,并进行了详细分析 ,进而提出了针对单幅图像的改进算法 ,包括引入表面光滑约束、边界条件和误差的灰度加权调整等。利用合成图像验证了这种算法的准确性。最后结合实际焊接过程熔池成像特点 ,应用这种算法利用单幅焊接熔池图像成功地获取了焊接熔池表面三维形状     

考虑金属蒸汽的钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用三维数值分析

基于局域热平衡状态假设并考虑金属蒸汽的作用, 建立了钨极惰性气体保护焊电弧与熔池交互作用的三维数学模型. 电弧等离子体的热力学参数和输运系数由温度和金属蒸汽浓度共同决定, 并使用第二黏度近似简化处理金属蒸汽在氩等离子中的输运过程. 在考虑熔池流动时, 主要考虑了浮力、电磁力、表面张力和等离子流拉力的作用. 通过对麦克斯韦方程组、连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分输运方程的耦合求解, 得到了金属蒸汽在电弧中的空间分布、电弧和熔池的温度场、速度场和电流密度分布等重要结果. 通过与未考虑金属蒸汽的结果对比, 研究了熔池上表面产生的金属蒸汽对电弧等离子体行为的影响, 以及电弧等离子对熔池行为的影响. 结果表明, 金属蒸汽主要富集在熔池上表面附近; 金属蒸汽对电弧等离子体有明显的收缩作用, 而对等离子速度和电势影响较小; 金属蒸汽的出现对熔池上表面速度分布和剪切力分布以及熔池形貌并无明显影响. 求解结果与已有的实验结果和计算结果符合良好.     

Effect of acoustic field parameters on arc acoustic binding during ultrasonic wave-assisted arc welding

As a newly developed arc welding method, power ultrasound has been successfully introduced into arc and weld pool during ultrasonic wave-assisted arc welding process. The advanced process for molten metals can be realized by utilizing additional ultrasonic field. Under the action of the acoustic wave, the plasma arc as weld heat source is regulated and its characteristics make an obvious change. Compared with the conventional arc, the ultrasonic wave-assisted arc plasma is bound significantly and becomes brighter. To reveal the dependence of the acoustic binding force on acoustic field parameters, a two-dimensional acoustic field model for ultrasonic wave-assisted arc welding device is established. The influences of the radiator height, the central pore radius, the radiator radius, and curvature radius or depth of concave radiator surface are discussed using the boundary element method. Then the authors analyze the resonant mode by this relationship curve between acoustic radiation power and radiator height. Furthermore, the best acoustic binding ability is obtained by optimizing the geometric parameters of acoustic radiator. In addition, three concave radiator surfaces including spherical cap surface, paraboloid of revolution, and rotating single curved surface are investigated systematically. Finally, both the calculation and experiment suggest that, to obtain the best acoustic binding ability, the ultrasonic wave-assisted arc welding setup should be operated under the first resonant mode using a radiator with a spherical cap surface, a small central pore, a large section radius and an appropriate curvature radius.     

阶跃光纤中轴对称导波模式的功率-频率特性

在光纤端面中心有一点光源的假设下,求出了阶跃光纤中TM模式和TE模式的电场和磁场,进而求得了各模式在纤芯和包层中的传输功率,并分析了各模式功率以及模式间功率比的频率特性.     

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.     

不同焊接位置对5A90铝锂合金激光焊接质量的影响(英)

针对铝锂合金激光焊接产生的成形不良和气孔缺陷,探究不同焊接位置对焊缝成形及气孔的影响,并对比分析不同焊接位置熔池受力状态、熔融金属流动和小孔动态行为,解释缺陷形成及其抑制机理。研究发现:不同焊接位置熔池受力状态和熔融金属流动决定焊缝成形。平焊时焊缝成形差、下榻严重;横焊时背面焊缝不连续,有飞溅;立向上焊时背面焊缝内凹严重;立向下焊可得到最优焊缝成形和最优的气孔缺陷。焊缝气孔受小孔动态行为影响,不同焊接位置气孔随热输入的变化规律一致,气孔先增后减,在仅熔池透状态下有气孔最大值。立上焊时小孔不稳定,焊缝气孔多且分布杂乱;立向下焊时小孔稳定性高,气孔最少,主要分布在焊缝中心线上。