高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

毛志伟 黄涛 周少玲

毛志伟, 黄涛, 周少玲. 旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真[J]. 焊接学报, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
引用本文: 毛志伟, 黄涛, 周少玲. 旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真[J]. 焊接学报, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
Zhiwei MAO, Tao HUANG, Shaoling ZHOU. Dynamic simulation of GMAW short circuiting transfer pool in rotating arc surfacing[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
Citation: Zhiwei MAO, Tao HUANG, Shaoling ZHOU. Dynamic simulation of GMAW short circuiting transfer pool in rotating arc surfacing[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51265036)
详细信息
    作者简介:

    毛志伟,1969年出生,博士,副教授;主要从事机器人与焊接自动化研究;发表论文30多篇;Email:ndmao@163.com

  • 中图分类号: TG 444

Dynamic simulation of GMAW short circuiting transfer pool in rotating arc surfacing

  • 摘要: 为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.
  • 图  1  焊接物理模型

    Figure  1.  Physical model of welding

    图  2  不同时刻熔池温度场分布

    Figure  2.  Temperature field distribution of weld pool at different time. (a) t = 3.16 s;(b) t = 3.17 s;(c) t = 3.18 s;(d) t = 3.2 s

    图  3  不同时刻熔池流场分布

    Figure  3.  Velocity field distribution of weld pool at different time. (a) t = 3.16 s;(b) t = 3.165 s;(c) t = 3.17 s;(d) t = 3.175 s;(e) t = 3.18 s;(f) t = 3.185 s

    图  4  焊接过程温度场分布

    Figure  4.  Temperature field distribation of welding process. (a) t = 3.15 s;(b) t = 3.16 s;(c) t = 3.17 s;(d) t = 3.18 s

    图  5  焊接试验装置

    Figure  5.  Welding experiment device

    图  6  模拟与试验结果对比

    Figure  6.  Comparison of simulation results with experimental results. (a) experimental weld pool section;(b) simulated weld pool section

    表  1  焊接试验参数

    Table  1.   Welding experiment parameters

    焊件材料焊接电压
    U/V
    焊接电流
    I/A
    焊接速度
    v /(mm·s−1)
    旋转频率
    f/Hz
    焊丝伸出长度
    l/mm
    旋转半径
    r/mm
    保护气流量
    q/(L·min−1)
    焊件初始温度
    T/℃
    保护气
    Q235A232003020123103080%Ar + 20%CO2
    下载: 导出CSV
  • [1] Wu L, Cheon J, Kiran D V, et al. CFD simulations of GMA welding of horizontal fillet joints based on coordinate rotation of arc models[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 231(5): 221 − 238.
    [2] Cho D W, Na S J. Molten pool behaviors for second pass V-groove GMAW[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2015, 88: 945 − 956. doi:  10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.05.021
    [3] Wang Y, Tsai H L. Impingement of filler droplets and weld pool dynamics during gas metal arc welding process[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2001, 44(11): 2067 − 2080. doi:  10.1016/S0017-9310(00)00252-0
    [4] Hozoorbakhsh A, Ismail M I S, Aziz N B A. A computational analysis of heat transfer and fluid flow in high-speed scanning of laser micro-welding[J]. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2015, 68: 178 − 187. doi:  10.1016/j.icheatmasstransfer.2015.08.013
    [5] Wu D S, Hua X M, Ye D J, et al. Understanding of humping formation and suppression mechanisms using the numerical simulation[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 104(1): 634 − 643.
    [6] 吴东升, 华学明, 叶定剑, 等. MIG焊接熔池形成与凝固过程数值模拟[J]. 焊接, 2015(9): 6 − 11.

    Wu Dongsheng, Hua Xueming, Ye Dingjian, et al. Numerical analysis of weld pool formation and solidification in MIG welding process[J]. Welding & Joining, 2015(9): 6 − 11.
    [7] Cho D W, Kiran D V, Song W H, et al. Molten pool behavior in the tandem submerged arc welding process[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214(11): 2233 − 2247. doi:  10.1016/j.jmatprotec.2014.04.032
    [8] Tong L G, Gu J C, Yin S W, et al. Impacts of torch moving on phase change and fluid flow in weld pool of SMAW[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 100: 949 − 957. doi:  10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.032
    [9] Desmaison O, Bellet M, Guillemot G. A level set approach for the simulation of the multipass hybrid laser/GMA welding process[J]. Computational Materials Science, 2014, 91: 240 − 250. doi:  10.1016/j.commatsci.2014.04.036
    [10] 张世亮, 胥国祥, 曹庆南, 等. 基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型[J]. 焊接学报, 2018, 39(2): 75 − 79.

    Zhang Shiliang, Xu Guoxiang, Cao Qingnan, et al. A numerical analysis model of weld pool dynamic behavior in GMAW based on FLUENT software[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2018, 39(2): 75 − 79.
    [11] Qiao L, Han T, Zhang H J, et al. Numerical study of fillet weld leg height of sleeve repair welding for in-service pipeline[J]. China Welding, 2018, 27(1): 32 − 40.
    [12] 刘维球, 单彦广, 袁张. GMAW焊接熔滴过渡过程的模拟研究[J]. 热加工工艺, 2016, 45(21): 216 − 219.

    Liu Weiqiu, Shan Yanguang, Yuan Zhang. Simulation of droplet transfer process in GMAW[J]. Hot Working Technology, 2016, 45(21): 216 − 219.
  • [1] 冯涛, 吕祚翔, 刘俊, 段琼.  15-5PH钢K-TIG焊熔池流动行为分析 . 焊接学报, 2021, 42(8): 91-96. doi: 10.12073/j.hjxb.20201015002
    [2] 忻建文, 吴东升, 李芳, 张跃龙, 王欢, 华学明.  小孔型等离子弧焊接条形气孔形成机理 . 焊接学报, 2021, 42(12): 54-61. doi: 10.12073/j.hjxb.20210414003
    [3] 黄健康, 潘伟, 孙天亮, 余淑荣, 樊丁.  不锈钢/碳钢TIG焊熔池表面流动行为 . 焊接学报, 2019, 40(8): 18-25. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400203
    [4] 李俐群, 郝雨, 彭进.  表面张力对激光深熔焊熔池流动的影响 . 焊接学报, 2019, 40(2): 13-19. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400034
    [5] 毛志伟, 黄涛, 徐伟.  外拘束角接头旋转电弧焊接应力应变分析 . 焊接学报, 2019, 40(3): 15-20. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400064
    [6] 李俐群,孟圣昊,彭进.  铝合金激光焊接熔池中气泡运动与气孔相关性分析 . 焊接学报, 2018, 39(6): -. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390138
    [7] 安亚君,李维强,朱利,芦晶晶.  粉煤灰活性剂对A-TIG焊熔池流动行为及焊缝性能的影响 . 焊接学报, 2018, 39(6): -. doi: 10.12073/j.hjxb.2018390160
    [8] 曾红, 纪昂, 于江, 吴辉, 张洪涛.  焊丝自转式MAG焊焊接过程与接头组织分析 . 焊接学报, 2017, 38(4): 91-94. doi: 10.12073/j.hjxb.20170421
    [9] 马壮1,2,于秀秀1,时海芳1,张勇1,董世知1.  粉煤灰A-TIG熔池流动行为及焊缝性能分析 . 焊接学报, 2017, 38(9): 65-69. doi: 10.12073/j.hjxb.20151103003
    [10] 吴东升, 华学明, 叶定剑, 张菁.  高速GMAW驼峰形成过程的数值分析 . 焊接学报, 2016, 37(10): 5-8.
    [11] 路浩, 邢敬伟, 邢立伟, 梁志敏.  活性MAG焊电弧特征及熔池流动分析 . 焊接学报, 2014, 35(10): 41-44.
    [12] 刘双宇, 宗士帅, 刘凤德, 张宏.  激光-MAG复合焊熔质分布与熔池流动特征 . 焊接学报, 2013, (1): 17-20.
    [13] 魏艳红, 王勇, 董志波, 马瑞, 占小红.  纯金属TIG焊熔池等轴晶生长的相场法模拟 . 焊接学报, 2011, (3): 1-4,8.
    [14] 董志波, 马瑞, 王勇, 占小红, 魏艳红.  镍基合金焊接熔池凝固组织模拟 . 焊接学报, 2010, (10): 27-30.
    [15] 李玉斌, 蒙大桥, 刘柯钊, 谢志强.  焊接熔池凝固过程组织演变模拟 . 焊接学报, 2010, (4): 57-60,64.
    [16] 叶建雄, 张华.  旋转电弧水下药芯焊丝电弧焊的智能化焊接系统 . 焊接学报, 2008, (3): 141-144.
    [17] 单际国, 张涛, 任家烈.  氧化物复合活性焊剂对聚焦光束焊接熔深的影响 . 焊接学报, 2008, (2): 8-12,88.
    [18] 姚伟, 巩水利, 陈俐.  钛合金激光穿透焊的焊缝成形(Ⅱ) . 焊接学报, 2004, (5): 74-76.
    [19] 李强, 钱百年, 李殿中.  焊接熔池的传热与流体流动模拟进展 . 焊接学报, 2002, (4): 91-96.
    [20] 郭其安, 侯贤忠.  旋转电弧焊研究及其在管道施工中的应用 . 焊接学报, 1987, (2): 98-106.
  • 加载中
图(6) / 表 (1)
计量
  • 文章访问数:  102
  • HTML全文浏览量:  2
  • PDF下载量:  9
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-28
  • 刊出日期:  2020-01-01

旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真

doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51265036)
    作者简介:

    毛志伟,1969年出生,博士,副教授;主要从事机器人与焊接自动化研究;发表论文30多篇;Email:ndmao@163.com

  • 中图分类号: TG 444

摘要: 为探究旋转电弧GMAW堆焊短路过渡时熔池的温度和对流分布规律,利用Flow-3D软件建立三维数学模型,采用球形旋转热源模型,考虑重力、熔滴拖拽力、表面张力、浮力作用,模拟了堆焊状态下,工件材料为Q235的旋转电弧GMAW短路过渡的熔池成形规律. 采用流体体积法追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形,并分析熔滴进入熔池时熔池内部温度场和流场的变化. 结果表明,熔池形成过程中,旋转熔滴对熔池有搅拌作用,并使熔池内部液态金属活性增强,流速变快,熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大. 模拟预测的焊缝尺寸、形状与试验吻合良好. 为优化焊接工艺参数、改善旋转电弧GMAW堆焊焊缝质量提供参考依据.

English Abstract

毛志伟, 黄涛, 周少玲. 旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真[J]. 焊接学报, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
引用本文: 毛志伟, 黄涛, 周少玲. 旋转电弧GMAW堆焊短路过渡熔池动态仿真[J]. 焊接学报, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
Zhiwei MAO, Tao HUANG, Shaoling ZHOU. Dynamic simulation of GMAW short circuiting transfer pool in rotating arc surfacing[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
Citation: Zhiwei MAO, Tao HUANG, Shaoling ZHOU. Dynamic simulation of GMAW short circuiting transfer pool in rotating arc surfacing[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2020, 41(1): 44-49. doi: 10.12073/j.hjxb.20190528002
    • 熔化极气体保护焊(gas metal arc welding, GMAW)在焊接生产中有着广泛应用. 工件在电弧热和熔滴周期性冲击下,熔化并形成熔池. 熔池内流体流动受到电弧压力、电磁力、重力、表面张力、浮力、熔滴冲击力等因素影响. 探究旋转电弧焊熔池成形时温度和对流分布规律,对研究旋转电弧焊接过程电流信号变化规律、焊接成形质量等有着重要意义.

      Wu等人[1]采用Flow-3D分析了不同焊接速度和送丝速率下的熔池行为,结果表明焊接速度越快,电弧就越不稳定,在工件表面可能会产生咬边,电导率的提高可增加电弧的稳定性,并通过试验验证了仿真结果. Cho等人[2]采用Flow-3D模拟了各种焊接位置V形槽焊接过程,因不同重力效应,得到了不同的熔池流动模式、凝固时间、温度分布和焊缝形状. Wang等人[3]模拟了GMAW熔滴动态撞击熔池过程中,熔滴撞击动量与表面张力等因素引起的熔池瞬态形状变形. Hozoorbakhsh等人[4]模拟了激光焊接参数对温度场以及熔池形成的影响,预测了薄板不锈钢激光焊接焊缝的几何形状和凝固形态. Wu等人[5-6]采用高速摄影系统对熔池的瞬态图像进行了采集,分析了熔池形成、对流和冲击的差异;利用Flow-3D软件建立三维仿真模型,模拟了A36船用低碳钢熔化极惰性气体保护焊的瞬态温度场和流场,分析了起弧后熔池形成和熄弧后熔池凝固两个过程中熔滴冲击力、电磁力对液态金属流动影响. Cho等人[7]基于三维数值传热理论建立了流体流动模型,采用流体体积法分析了埋弧焊过程中液体流动和温度变化规律,此外还分析了自由表面成形机理. Tong等人[8]对焊接过程中焊丝无摆动和e型摆动轨迹的熔池金属相变及元素分布进行了模拟,得到了这两种运动方式下熔池成形特征. Desmaison等人[9]针对18MND5材料建立了激光-GMA复合焊接模型,并对该复合焊接过程进行模拟,得到了熔池成形过程中流场和温度场分布. 张世亮等人[10]采用FLUENT软件分析了不同条件下熔化极气体保护焊熔池动态行为,结果表明熔池内流体流速相对于电弧等离子体流速较小,电弧等离子体冲击熔池自由液面后,迅速沿熔池自由液面向周边快速流动,并对其产生切应力. Qiao等人[11]针对套管补口角焊缝,通过拟合方法确定双椭球热源的参数,模拟得到的熔池形态与实际焊缝吻合较好.

      目前,还未见有学者通过建立热源模型研究旋转电弧GMAW熔池的形成过程. 为研究旋转电弧GMAW熔池成形过程,以堆焊为例,在分析影响熔池成形过程的主要因素基础上,采用球形热源模型,运用Flow-3D软件建立其三维数值模型,研究主要影响因素动态作用下,熔滴进入熔池时熔池内的金属流动状态.

    • 为对旋转电弧进行温度场与流场分析,首先需建立其三维有限元数值模型. 依据旋转电弧GMAW堆焊工艺要求,相关工艺参数如表1所示.

      表 1  焊接试验参数

      Table 1.  Welding experiment parameters

      焊件材料焊接电压
      U/V
      焊接电流
      I/A
      焊接速度
      v /(mm·s−1)
      旋转频率
      f/Hz
      焊丝伸出长度
      l/mm
      旋转半径
      r/mm
      保护气流量
      q/(L·min−1)
      焊件初始温度
      T/℃
      保护气
      Q235A232003020123103080%Ar + 20%CO2

      焊接试验方式为堆焊,单道焊缝,焊缝与母材的材料属性相同. 工件尺寸分别为150 mm × 100 mm × 5 mm. 焊接物理模型如图1所示.

      图  1  焊接物理模型

      Figure 1.  Physical model of welding

      为简化计算,进行如下假设:①热源为球形,热源半径为定值,从熔池上方固定位置滴入熔池,熔滴的温度以及动能恒定;②一个旋转周期内,热源数量为4个,短路过渡,热源稳定连续进入熔池;③仿真过程中的液态金属为牛顿流体,其具有不可压缩以及稳定粘性,液态金属之间流动状态为层流;④焊接仿真过程中熔池表面的热流密度以及焊接过程中的电弧力都遵从高斯分布;⑤液态金属的密度、粘度、热导率等热物理属性都随温度变化而变化.

    • GMAW焊熔池模拟采用三维笛卡尔坐标系,运用Flow-3D求解包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程在内的控制方程,并用流体体积法(volume of fluid, VOF)追踪熔滴过渡和熔池表面的自由变形.

    • 质量守恒方程

      $$\dfrac{{\partial u}}{{\partial r}} + \dfrac{{\partial v}}{{\partial \textit{z}}} + \dfrac{u}{r} = 0$$ (1)

      动量守恒方程

      $$\begin{split} &\dfrac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial t}} + u\dfrac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial r}} + v\dfrac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial \textit{z}}} =\\ & \quad - \frac{{\partial P}}{{\partial r}} +u\left( {\frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {r^2}}} + \frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {\textit{z}^2}}} + \frac{{\partial u}}{{r \cdot \partial r}} - \frac{u}{{{r^2}}}} \right) - {J_{\rm{z}}} \cdot {B_{\rm{\text{θ}}} } \end{split} $$ (2)
      $$\begin{split} &\frac{{\partial \rho \nu }}{{\partial t}} + u\frac{{\partial \rho v}}{{\partial r}} + v\frac{{\partial \rho \nu }}{{\partial \textit{z}}} =\\ & \quad - \frac{{\partial P}}{{\partial r}} + u\left( {\frac{{{\partial ^2}\nu }}{{\partial {r^2}}} + \frac{{{\partial ^2}\nu }}{{\partial {\textit{z}^2}}} + \frac{1}{r}\frac{{\partial \nu }}{{\partial r}}} \right) + {J_{\rm{z}}} \cdot {B_{\rm{\text{θ}}} } - {F_{\rm{\text{ν}}} } + \rho g \\[-10pt] \end{split} $$ (3)

      电流连续性方程

      $$\frac{1}{{{r}}}\frac{\partial }{{\partial r}}\left( {r\frac{{\partial \varphi }}{{\partial r}}} \right) + \frac{{{\partial ^2}\varphi }}{{\partial {z^2}}} = 0$$ (4)

      欧姆定律

      $${J_{\rm r}} = - \frac{{\partial \varphi }}{{\partial r}}$$ (5)
      $${J_{\rm z}} = - \sigma \frac{{\partial \varphi }}{{\partial z}}$$ (6)

      安培定律

      $${B_{\rm{\text{θ}}} } = - \frac{{{u_0}}}{r}\int_0^r {{J_{\rm{z}}}} r{\rm d}r$$ (7)

      式中:uv分别表示径向速度和轴向速度;r为径向坐标;g为重力加速度;t为时间;z为轴向坐标;$\rho $为液体金属的密度;P为压强;Jr为半径方向电流密度;Jz为轴向电流密度;$\mu $为液态金属的动力粘度;$\sigma $为电导率;${B_{\rm{\text{θ}}} }$为自感应方向磁场;Fv为拖拽力;${\varphi}$为准电势;${u _0}$为真空磁导率.

    • 为利用VOF方法追踪自由表面的轮廓,引入一个单元体积分数的函数${{F}}\left( {i,j,t} \right)$来追踪金属液滴轮廓. ${{F}}\left( {i,j,t} \right)$满足下面的控制方程

      $$\frac{{\partial F}}{{\partial t}} + \frac{{\partial F}}{{\partial r}} + \frac{{\partial F}}{{\partial z}} = 0$$ (8)

      单元格状态如下

      $$\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {F\left( {i,j,t} \right) = 1}&{{\text{金属液体}}}\\ {F\left( {i,j,t} \right) = 0}&{{\text{离子气体}}}\\ {{\rm{0}} < F\left( {i,j,t} \right) < 1}&{{\text{金属液体与离子气体混合}}} \end{array}} \right.$$ (9)
    • 根据文献[12],电流密度Jz在熔滴与焊丝的交界面处呈现均匀分布,在熔滴端部呈现高斯分布,即

      $${J_{\rm{z}}} = \frac{{kIh}}{{2{\rm{\pi }}H}} \cdot \exp \left( { - k{R^2}} \right) + \frac{I}{{{\rm{\pi }}r_{\rm{s}}^2}}(1 - \frac{h}{H})$$ (10)
      $$k = \frac{{\rm{1}}}{{{\rm{2}}{\sigma _{\rm r}^{\rm{2}}}}}$$ (11)

      式中:I为焊接电流;H为熔滴长度;h为熔滴高度;rs为焊丝半径;R为熔滴横截面半径;$\sigma_{\rm r} $为高斯分布半径;k为电流集中系数.

    • 旋转电弧焊接过程中,熔滴在电场力、磁场力及旋转离心力作用下,形状难以确定. 根据能量守恒定律、送丝与熔化平衡关系及热源球形假设,以单位时间内送丝量确定热源半径计算公式如下

      $${V_{\rm{Z}}} = \pi {r_{\rm{s}}}^2{v_{\rm{s}}}$$ (12)
      $$\frac{{4\pi {r_{\rm{d}}}^3}}{3} = \frac{{{V_{\rm{Z}}}}}{4}$$ (13)
      $${r_{\rm{d}}} = \sqrt[3]{{\frac{{3{v_{\rm{s}}}r_{\rm{s}}^2}}{{16}}}}$$ (14)

      式中:VZ单位时间焊丝体积;vs送丝速度;rd热源半径.

    • 为分析旋转电弧焊接熔池成形过程中温度场与流场特性,以能准确模拟含有自由表面流体流动功能的软件Flow-3D作为求解器,计算域选用0.4 mm均匀矩形网格,建立仿真模型,然后对其进行成形过程模拟,结果及分析如下.

    • 旋转电弧熔池成形过程较为复杂,主要从熔池成形时熔池内部区域温度变化以及液态金属对流特性来分析.

    • 旋转电弧GMAW堆焊熔池模拟结果的温度场截面如图2所示.

      图  2  不同时刻熔池温度场分布

      Figure 2.  Temperature field distribution of weld pool at different time. (a) t = 3.16 s;(b) t = 3.17 s;(c) t = 3.18 s;(d) t = 3.2 s

      t = 3.16 s时,熔滴进入熔池上端边缘处,逐渐熔化母材,使得局部熔池变深,热能向熔池中心扩散,集聚的热能加深熔池深度,并与上一熔滴的温度场连通,形成拖拽. 在t = 3.17 s时,熔滴进入熔池右端边缘处,逐渐熔化母材,使得局部熔池变深,热能向熔池中心扩散,集聚的热能加深熔池深度,并与上一熔滴的温度场连通,形成拖拽. 在t = 3.18 s时,熔滴进入熔池下端边缘处,逐渐熔化母材,使得局部熔池变深,热能向熔池中心扩散,集聚的热能加深熔池深度,并与上一熔滴的温度场连通,形成拖拽. 在t = 3.2 s时,熔池底部凝固,并逐渐完成成形过程.

    • 旋转电弧GMAW堆焊熔池模拟结果的流场截面如图3所示,熔滴接触熔池并向熔池过渡,由于焊丝旋转运动,导致熔滴下降时,作向外离心运动.

      图  3  不同时刻熔池流场分布

      Figure 3.  Velocity field distribution of weld pool at different time. (a) t = 3.16 s;(b) t = 3.165 s;(c) t = 3.17 s;(d) t = 3.175 s;(e) t = 3.18 s;(f) t = 3.185 s

      t = 3.16 s时,熔滴进入熔池上端边缘处,对应图3a所示位置,此时熔滴温度最高、熔滴内液态金属流动速度快,活跃液态金属由熔池最上侧向熔池中间流动. 在t = 3.165 s时,熔滴全部进入熔池,液态金属在熔池内,形成从边缘到中心处的回流,如图3b所示. 在t = 3.17 s时,熔滴进入熔池右端边缘处,对应图3c所示位置,其温度最高、熔滴内液态金属流动速度快,活跃液态金属由熔池最右侧向熔池中间流动. 在t = 3.175 s时,熔滴全部进入熔池,液态金属在熔池内,形成从边缘到中心处的回流,如图3d所示. 在t = 3.18 s时,熔滴进入熔池下端边缘处,对应图3e所示位置,此时熔滴温度最高、熔滴内液态金属流动速度快,活跃液态金属由熔池最下侧向熔池中间流动. 在t = 3.185 s时,熔滴全部进入熔池,液态金属在熔池内,形成从边缘到中心处的回流,形成完整对流过程,如图3f所示. 在拖拽的过程中液态金属由熔滴主体向熔池尾部流动. 熔滴旋转前进地向母材传导热能.

    • 旋转电弧GMAW堆焊熔池成形过程的温度场如图4所示. 起弧时,熔池行为主要为旋转熔滴对母材的冲击,焊接进行一段时间之后,有一定的熔池积累,形成一段焊缝. 此时,熔滴过渡受到已冷却焊缝的阻碍以及焊缝尾部液态金属流动的影响.

      图  4  焊接过程温度场分布

      Figure 4.  Temperature field distribation of welding process. (a) t = 3.15 s;(b) t = 3.16 s;(c) t = 3.17 s;(d) t = 3.18 s

      t = 3.15 s时,熔滴进入熔池最左端,热能向熔池中心扩散. 在t = 3.16 s时,熔滴进入熔池上端边缘处,热能向熔池中心扩散,与上一熔滴温度场相交,并形成拖拽. 在t = 3.17 s时,熔滴进入熔池最右端,热能向熔池中心扩散,与上一熔滴的温度场相交,并形成拖拽. 在t = 3.18 s时,熔滴进入熔池最下端边缘处,热能向熔池中心扩散,与上一熔滴的温度场相交,并形成拖拽. 一个周期内熔池内温度场成顺时针方向变化.

    • 表1参数进行旋转电弧GMAW堆焊试验,并将结果与仿真结果进行对比,以验证旋转电弧GMAW堆焊仿真结果.

      试验装置如图5所示. 将试验焊缝切片后化学处理,得到所需要的截面,经测量得到:熔宽9.06 mm,熔深2.97 mm,模拟结果对应截面熔宽8.76 mm,熔深2.76 mm,如图6所示.

      图  5  焊接试验装置

      Figure 5.  Welding experiment device

      图  6  模拟与试验结果对比

      Figure 6.  Comparison of simulation results with experimental results. (a) experimental weld pool section;(b) simulated weld pool section

      试验熔池截面与仿真熔池截面对比,结果表明二者形状基本相同,熔宽与熔深参数接近,且实际熔池最大深度位于熔池中心与仿真的相应时刻熔池中心位置状态一致. 试验结果与模拟结果都存在明显的熔池底部形状不规则现象,这是因为越靠近熔滴处,熔池内部能量多,母材熔化深度越大,相比远离熔滴处的熔深要更大,仿真截面局部的高温区域与试验截面中的最大熔深结果相对应.

    • (1)采用Flow-3D软件建立了旋转电弧堆焊短路过渡仿真模型,基于VOF方法对熔池成形过程中熔池自由表面成形进行了追踪,得到了旋转电弧GMAW堆焊成形过程.

      (2)熔池形成过程中,熔池内同时存在因熔滴冲击力、电磁力引起的向内流动和因表面张力引起的向外流动. 旋转熔滴对熔池有搅拌作用,流速变快,并促使熔池内部液态金属体积变大,熔池的宽度变大.

      (3) 20 Hz旋转频率下,试验熔池截面形状与仿真熔池截面形状基本相同,熔宽误差0.3 mm,熔深误差0.2 mm,且试验熔池最大深度位于熔池中心与仿真的相应时刻熔池中心位置状态一致.

参考文献 (12)

目录

    /

    返回文章
    返回