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     

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.     

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。     

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     

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.     

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.     

等离子弧焊接熔池演变过程的格子Boltzmann模拟与验证

本文应用基于分子动理论的格子Boltzmann方法,建立了描述定点等离子弧焊接熔池动态演变过程的二维数理模型,对相变过程的传热与流动现象开展模拟;根据焊接过程能量分布特点改进等离子弧的组合式热源模型,采用total-enthalpy模型求解温度、速度分布及追踪相界面。研究结果表明,模拟的熔合线形状与实验焊缝吻合,格子Boltzmann模拟得到的计算精度及计算效率均优于基于连续流体假设的有限容积法,验证了格子Boltzmann方法用于等离子弧焊接模拟的可行性和优越性;熔池中出现两个方向相反的环流,流动对焊缝形状的作用不容忽略;熔池的流动方式影响了温度场、速度场及二者协同度,直接影响固相线上的热量传递,促进了焊缝中部凸起的形成。     

用能量平衡法确定激光焊接熔池尺寸

本文对前人提出的计算激光焊接深熔焊过程中熔池尺寸的方法进行了检验、改进与推广。从激光焊接过程中的能量平衡出发,预报了不同焊接工况下熔池的尺寸,并与实验数据进行了比较,得到了符合得比较好的结果。     

电磁力控制翼型水动力噪声机理及作用方式研究

提出了施加电磁力于边界层实现流动控制和降低水动力噪声的方法。对未施加与施加电磁力后翼型模型的流场与声场进行数值计算,结果表明:流向电磁力可延缓翼型表面的流动分离,抑制离散小涡生成,减弱翼型表面的湍流脉动压力,达到降低水动力噪声的目的。归纳了电磁力降低水动力噪声效果随雷诺数、攻角和电磁作用参数的变化规律,同时在循环水槽中对电磁力控制翼型水动力噪声的效果进行试验验证。由于转捩区是翼型模型的压力最小区域且面积非常有限,通过研究电磁力的作用方式,发现只在转捩区施加电磁力,即可达到最佳的降噪效果且减小了功耗,并分析了磁泄露带来的影响。研究结果为抑制翼型的水动力噪声提供了一种新的思路。     

等离子弧焊接穿孔、传热与流动的耦合过程

本文建立了考虑穿孔效应的等离子弧焊接传热与流动的三维数学模型。在该模型中,开发出一种新颖的随小孔连动的热源模型,即能量密度仿照实际的焊接热物理过程随小孔增长而动态变化,有效地表征了热量沿厚度方向传输过程。同时应用体积流函数(VOF)方法追踪小孔界面,将小孔深度作为热源参数调控热源分布,实现了穿孔过程与熔池内传热及流动的动态耦合。针对实验工况,数值求解了穿孔焊接过程中动态热量传输和相应的焊接温度场,并考察了小孔界面及其周围熔融金属流动的演变过程;焊接熔池形状尺寸和焊件穿孔时间的计算值与实验数据吻合较好,验证了本文模型的正确性。     

宏微观耦合模拟熔池不同区域中枝晶竞争生长过程

针对熔化焊过程建立了宏微观耦合模型,模拟了熔池内不同区域凝固过程中随机取向枝晶的竞争生长过程. 通过宏观三维有限元模型计算熔池中瞬态的传热传质过程,利用双线性插值算法将凝固参数传递给微观组织模型. 采用元胞自动机法模拟随机取向的枝晶在熔池凝固条件下的竞争生长过程. 模拟结果表明,所建立的微观模型能够精确模拟任意生长取向的枝晶. 凝固条件中最大温度梯度方向对枝晶竞争过程有明显选择作用,生长方向与最大温度梯度方向相同或接近的枝晶在竞争中具有更大优势. 焊缝中的晶粒组织由枝晶簇发展形成,晶粒组织的形貌演变取决于相邻枝晶簇之间的竞争过程,具有择优取向的枝晶簇会逐渐排挤非择优取向的枝晶簇并最终将其阻挡在凝固组织内部,宏观晶粒的取向与其内部枝晶簇的生长方向并不一定相同. 熔池中心线附近区域在焊接过程中具有更小的温度梯度、更大的凝固速率以及更大的局部冷却速率,凝固后可以获得更加细小的焊缝枝晶组织. 枝晶间距的模拟结果与相应凝固条件下的试验数据符合较好. 关键词： 焊接熔池 枝晶形貌 竞争生长 元胞自动机     

CFETR CSMC装配误差下的电磁状态研究

中心螺旋管模型线圈是为了积累中心螺线管线圈设计和制造经验而预研的一套混合超导磁体线圈,该线圈由五大模块组成,高场区采用Nb_3Sn线圈,低场区采用NbTi线圈,可以满足紧凑型聚变装置对低纵横比的要求.然而模型线圈各模块结构复杂、尺寸庞大在装配过程中不可避免的存在装配误差,线圈励磁以后产生的非对称磁场和电磁力将分别影响等离子体的旋转和线圈整体的稳定性.为了详细分析装配误差对线圈磁场和电磁力的影响,选取模型线圈在装配过程中可能出现的典型的装配误差,基于电流丝等效模型计算了NbTi线圈偏置以后Nb_3Sn内外线圈上的磁场和电磁力.计算结果表明,由于装配误差,线圈磁场沿环向呈不均匀分布,轴向电磁力合力不为零;轴向和径向装配误差对线圈磁场和电磁力的影响存在明显的差异;电磁力随着装配误差呈线性增长,当线圈装配误差较大时将引发数倍于线圈自重的电磁力;该研究结果可为偏置状态下模型线圈的耦合场分析和线圈模块的装配方案设计优化提供参考.     

反射式高速摄影对焊接熔池熔化现象研究及移动可调式氙灯试制

为清晰地拍摄焊接电弧、熔滴过渡,焊接熔池,我们试制了移动可调式氙灯,并采用了“反射法高速摄影”解决了焊接电弧,特别是有关熔池熔化现象的研究,取得了满意效果。“反射法高速摄影拍摄焊接熔池”在国内首次采用,得到了焊接电弧专家们好评,被评为“具有国内先进水平”。     

激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

本文通过采用自适应网格技术, 将激光立体成形的宏观温度场模型和凝固微观组织的低网格各向异性元胞自动机模型(cellular automaton, CA)结合, 建立了适用于激光立体成形的集成数值模型. 模型包括基材的温度场分布, 熔池形貌和熔凝过程的凝固微观组织. 模拟了激光扫描速度为15 mm/s时, 激光作用在Fe-C单晶基材上形成熔池的形状以及熔池内凝固微观组织. 计算结果揭示了熔池内固液界面从平界面失稳到胞\枝晶的非稳态凝固过程, 并得到了平界面组织形成的白亮带. 白亮带上方形成了外延生长的枝晶列.     

时域差分方法在软接触结晶器电磁场计算中的修正

通过对简化模型的理论推导,修正了Gandhi提出的低频电磁场的高频近似方法,使其适用于软接触结晶器电磁场计算.并利用三维程序对简化模型进行了验算,在此基础上,计算了软接触结晶器内的磁场、涡流和电磁力的分布.     

氧引入对气体熔池耦合活性TIG焊电弧的影响

气体熔池耦合活性TIG焊接方法是一种新型的活性焊接方法,该方法采用内外两层气体进行TIG焊,内层惰性气体保护熔池金属和钨电极,外层气体引入活性元素O,使焊缝熔深增加,并通过调节内外喷嘴的相对位置,简单方便地调节外层活性气体与熔池表面的耦合度,实现对焊缝成形和焊缝性能的控制。外层气体的引入对焊接电弧有着重要的影响,因此针对气体熔池耦合活性TIG电弧,采用Boltzmann作图法分析了外层气体为O2时不同耦合度下电弧等离子体的温度分布,在此基础上研究了电弧电压和电弧形貌的变化规律。结果表明,与普通TIG电弧对比,气体熔池耦合活性TIG焊时,外层气体引入氧可使电弧略有收缩,电弧中心温度升高,同时电弧电压上升;与内外层气体都为Ar的情况相比,外层采用O2对电弧的收缩作用更明显。当耦合度从0增加到2时,电弧中心温度和电弧电压都略有上升。在气体熔池耦合活性TIG焊中电弧收缩不明显,进行不锈钢焊接时熔深显著增加的主要机理不是电弧收缩。