（机械电子工程专业论文）定点、运动tig焊接熔池行为及规律研究.pdf

摘要 摘要 随着焊接生产节拍的不断加快，对焊接效率的要求也越来越高。增大焊接电 流，提高焊接速度，是提高焊接效率最常采用的方法。但是焊接速度的提高又会 带来一些焊接缺陷，如焊缝成形差，焊道不连续，咬边等。所以，为了改善高速 焊接时的焊缝成形，需要了解焊缝成形不良的机理。而咬边是焊接缺陷中最普遍 的一种，本文就基于熔池深宽比变化对咬边的产生有着对应关系这一规律，对 t i g 焊接熔池的形态进行研究分析。除此之外还分析了焊接温度场的温度梯度在 不同焊接条件下的变化。 本文在总结前人工作的基础上，采用有限体积法，使用f l u e n t 软件建立 了定点、运动t i g 焊接熔池的三维瞬态模型，对焊接熔池流场和热场进行了模 拟分析研究，并进行了一些焊接工艺实验，通过将焊缝成形结果与计算结果进行 比较，来验证数值模拟的计算结果。 在对定点t i g 焊接熔池流场和热场进行模拟时，热源模型采用经典的高斯 热源分布模式，而对运动t i g 焊接熔池流场和热场进行模拟时，考虑电弧的后 拖效应，选用更贴近于实际的双椭圆热源分布模式。材料的各项热物理性能参数 采取随温度变化的方式，同时考虑了工件和外界的对流换热及辐射。 本文首先研究了定点t i g 焊接在相同电流不同焊接时间，相同热输入，不 同表面张力温度系数，三种焊接条件下熔池热场和流场的变化规律及咬边情况， 研究表明：相同电流时，加热时间长能得到大的熔池深宽比和小的温度梯度，不 易产生咬边；相同热输入，小电流长时间加热能得到大的深宽比和小的温度梯度， 不容易产生咬边；不同表面张力温度系数时，表面张力温度系数越大，温度梯度 越小，熔池深宽比越大，越不容易产生咬边。 本文还对运动t i g 焊接在相同电流不同焊接速度，相同热输入，不同热源 模型参数，三种焊接条件下的熔池内流场和热场进行了模拟研究。计算结果显示： 相同电流时，焊接速度越高，温度梯度越大，熔池深宽比越小，越容易产生咬边； 相同热输入时，大电流高速焊接，温度梯度大，熔池深宽比小，容易产生咬边； 不同热源模型参数时，热源长轴越长，短轴越短，温度梯度越小，熔池深宽比越 大，越不容易产生咬边。 本文还对自由表面变形情况下，熔池内的流场和热场进行了初步研究，但由 于这部分比较复杂，时间紧迫，并未得出满意的结果，需进一步研究。 关键词：t i g 焊；数值模拟；熔池形态；咬边 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fw e l d i n gm a n u f a c t u r e ，t h ew e l d i n ge f f i c i e n c yi sr e q u i r e dh i g h e r a n dh i g h e r t h em o s tc o m m o nm e t h o l so fi m p r o v i n gt h ew e l d i n ge f f i c i e n c ya r ei n c r e a s i n gw e l d i n g c u r r e n ta n ds p e e d h o w e v e r , i n c r e a s i n gw e l d i n gs p c 宅dw i l lc a u s 嚣s o m ew e l d i n gd e f e c t s ，s u c ha st h e p o o ra p p e a r a n c eo fw e l d ，t h ed i s c o n t i n u i t yo fw e l d i n g 跚锄叮，u n d e r c u ta n d8 0o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt o i m p r o v et h ea p p e a r a n c eo fw e l di nt h eh i g h s p e e dw e l d i n g ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo fp o o r a p p e a r a n c eo fw e l dn e e d st ob eu n d e r s t o o d a n du n d e r c u ti so n eo ft h em o s tc o m m o nw e l d i n gd e f e c t s s o ，i nt h i sp a p e r , t h em o d a l i t yo ft i gw e l d i n gp o o li sr e s e a r c h e da n da n a l y z e db a s e do nt h er u l et h a t t h er a t i oo fd e p t ht ow i d t ho fw e l d i n gp o o lh a sac o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i p 诵mt h eu n d e r c u t g e n e r a t i o n b a s e do n p r e d e c e s s o r sw o r k , t h i s a r t i c l ea d o p t sf i n i t ev o l u m e m e t h o da n db u i l d s t h r e e - d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tm o d e l so ff i x e d - p o i n ta n dm o v i n gt i gw e l d i n gp o o l sb yf l u e n t s o f t w a r e h e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o wi nt h ew e l d i n gp o o la r es i m u l a t e da n da n a l y z e di nt h i sp a p e r m e a n w h i l e ，s o m ew e l d i n gt e c h n o l o g ye x p e r i m e n t sa r et a m e do u t , a n dt h er e s u l to fe x p e r i m e n t si s c o m p a r e dw i t ht h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt ov m f yt h ev a l i d i t yo fs i m u l a t i o nr e s u l t i nt h es i m u l a t i o no ff l o wf i e l da n dt h e r m a lf i e l do ff i x e d - p o i n tt i gw e l d i n g ，t h ec l a s s i c a lg a u s s i a n t y p eh e a tf l u xd i s t r i b u t i o ni sa d o p t e d a n df o rt h es i m u l a t i o no f f l o wf i e l da n dt h e r m a lf i e l do fm o v i n g t i gw e l d i n gp o o l ，t h eh e a tf l u xi sd i s t r i b u t e da sd o u b l ee l l i p t i ct y p et oc o n s i d e rt h er e a rd r a go fa r c t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sp a r a m e t e r so fm a t e r i a l sa r cc h a n g i n gw i lt e m p e r a t u r e t h eh e a tc o n v e c t i o n a n dr a d i a t i o nb e r w e e l lw o r k p i e c 7 , ea n de n v i r o n m e n ta r et a k e ni n t oa c c o u n t i nt h es t u d y , t h e r m a lf i e l da n df l o wf i e l do ff i x e d - p o i n tt i gw e l d i n gp o o li sr e s e a r c h e di nt h e s e t h r e ew e l d i n gc o n d i t i o n s ：w e l d i n gt i m e s 粥d i f f e r e n tw i t ht h es a m ec u r r e n t ；谢t ht h es a m eh e a ti n p u t , w e l d i n gt i m e sa n dc u r r e n t s 撇d i f f e r e n t ；s u r f a c et e n s i o nt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t sm d i f f e r e n t t l l e s t u d ys h o w s ：w h e nt h es a m ec u r r e n ti su s e dt oh e a tf o ral o n g e rt i m e ，o rw h e nas m a l l e rc u r r e n ti su s e d t oh e a tf o ral o n g e rt i m e 诵t l lt h es a n l eh e a ti n p u t 。o rw h e nt h es u r f a c et e n s i o nt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t i sp o s i t i v ea n dl a r g e r , t h er a t i oo fd e p t ht ow i d t ho fw e l d i n gp o o li sb i g g e r , t h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti s s m a l l e r , 8 0t h et r e n do f u n d e r c u ti ss m a l l e r n et h e r m a lf i e l da n df l o wf i e l do fm o v i n gt i gw e l d i n gp o o la r ea l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri n t h e s et h r e ew e l d i n gc o n d i t i o n s ：、) l r i t ht h es a m ec u r r e n t ，w e l d i n gs p e e d sa r ed i f f e r e n t ；、衍mt h es a m eh e a t i n p u t ，t h ew e l d i n gc u r r e n t sa n ds p e e d sa l li sd i f f e r e n t ；t h ep a r a m e t e r so fh e a ts o u r c em o d e la r ed i f f e r e n t t h es t u d ys h o w s ：w h e nt h ew e l d i n gs p e e di sl o w e rw i t ht h es a m ec u r r e n t 。o rw h e nt h es m a l l e rc u r r e n t t ow e l di nal o w e rs p e e dw i t ht h es a l n eh e a ti n p u t , o rw h e nt h em a j o ra x i so fh e a ts o u r m o d e li s l o n g e ra n dt h em i n o ra x i si ss h o r t e r , t h er a t i oo fd e p t ht ow i d t ho fw e l d i n gp o o li sb i g g e r , t h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n ti ss m a l l e r , s ot h et r e n do fu n d e r c u ti ss m a l l e r t h ef l o wf i e l da n dt h e r m a lf i e l do fw e l d i n gp o o la r ep r e l i m i n a r ys t u d i e di nt h ec a s eo ft h e d e f o r m a t i o ft h ef r e es u r f a c e b u tt h er e s u l ti sn o ts a t i s f i e d b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h i sp a r t r e s e a r c ha n dt h el i m i t a t i o no ft i m e t h es t u d yn e e d saf - r r t h e rr e s e a r c hi nt h ef u t u r ew o r k k e y w o r d sa r ct i gw e l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；w e l d i n gp o o ls h a p e ；u n d e r c u t i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲韭咻盟：三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学雠文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期： 第l 章绪论 1 1 选题意义 第1 章绪论 随着现代工业生产的发展，对焊接效率要求越来越高，加大焊接电流和提高 焊接速度是人们提高焊接效率最常使用的方法。但是焊接速度的提高又会带来焊 缝成形差，焊道咬边，甚至造成焊缝不连续等焊接缺陷的产生。因此解决高速焊 接时焊缝成形差的问题，成为大幅度提高焊接生产效率的关键所在。这就需要研 究和分析焊缝成形缺陷的产生机理。而焊接过程比较复杂，单纯靠通过改变工艺 参数试验来研究焊缝成形缺陷的产生机理，不但耗费大量的人力物力，而且所得 结果仅适用于特定的焊接条件，没有通用性。随着数值计算的发展，焊接过程的 数值模拟，成为一种强有力的科研方法和手段n 2 3 1 。焊接过程的数值模拟结果， 为人们更好地认识和把握复杂的焊接物理过程和现象提供了可能。 钨极惰性气体保护焊( t i g ) 是现在工业生产中应用非常广泛的一种焊接方 法，具有焊接质量好、焊件焊后变形小、成形美观、易实现全位置自动化焊接等 众多优点，可用于各类金属材料的焊接。焊接熔池形态，即焊接熔池的几何形状、 熔池内流体动力学状态及传热传质过程，是影响焊接过程和焊接质量的主要因素 之一。因此，对t i g 焊接熔池形态进行数值模拟研究，将为焊缝成形缺陷的产生 机理研究提供关键的基础数据和理论依据。 基于以上原因，本文使用f l u e n t 软件建立了焊接熔池的三维瞬态模型，模 拟了定点、运动t i g 焊接熔池形态，得出不同焊接电流，不同焊接速度，不同表 面张力梯度，不同热源模型参数条件下，熔池形态的变化，根据熔池动态深宽比 与焊缝咬边产生之间的相关性，研究焊缝咬边产生的机理。除此之外，本文还对 自由表面变化的熔池形态进行了研究，以期找出随温度变化的表面张力梯度作用 下，熔池内液体的流动情况及对熔池形态的影响。以上研究，对于提高高速焊接 的焊缝质量具有重要的理论意义。 1 2t i g 焊接熔池热场和流场数值模拟的研究 焊接热过程的研究在上世纪4 0 年代就已经开始了。这方面的经典代表作是 美国的r o s e n t h a l h l 和前苏联的雷卡林1 提出的移动热源在固体中的热传导模型， 给出了焊接温度场的解析解，形成了r o s e n t h a l r y k a l i n 公式体系。但是这些解析 公式是基于以下假设：瞬时热源集中于一点、一线或一面；材料以固态存在，不 发生相变；材料的热物理性能参数不随温度变化；焊件的几何尺寸是无限的。这 北京t 业大学t 学硕士学位论文 些假设与实际焊接情况有比较大差异，这就导致了热源附近温度场的计算有严重 偏差，所以解析法的计算结果很不准确。后来，许多学者试图修正这一公式体系 不合理的假设条件，提高计算精度，但因公式本身所固有的不足，均未获得大的 进展。 计算机的发展推动了数值模拟在焊接热过程计算中的应用。数值分析法能够 处理焊接过程中各种复杂的边界条件，热源分布和非线性问题，具有解析法不可 及的优势。因此，近年来数值分析在焊接热过程研究中获得了普遍应用。 g w k r u t z 1 建立了用有限元法计算二维焊接温度场的分析模型。该模型不 单将导热系数和比热作为温度的函数，而且还考虑到了相变潜热问题。s k o u 盯1 建立了厚板t i g 焊的三维准稳态热场有限差分计算模型。在该模型中，解决了 热源分布、材料热物理性能参数的非线性和工件表面热损失等问题。 为了完整、准确地对焊接熔池形态和传热过程进行数值模拟，必须考虑熔池 中液态金属的对流传热。所以，从上世纪七十年代开始，熔池中的对流运动对焊 接传热的影响逐渐被人们所重视。 为了研究熔池内流体流动对传热的影响，国外许多学者做了大量的工作。 a n d r e w s 田朋，s o z o u n 们，a t t h e y n 妇等人研究了预先选定的半球形熔池中表面张力和 电磁力作用下的流场，用解析法求解了半球形容器内流体流动状态的动量方程。 结果表明，流体对流传热是熔池内热量传导的最主要形式。该模型不足之处是， 将熔池形状设定为固定半球形容器，这与焊接实际不相符。美国麻省理工学院的 o r e p e r 和s z e k e l e y n 2 1 首先对固定电弧t i g 焊接熔池内表面张力梯度、电磁力、浮 力所引起的流体流动及传热过程建立了数学模型。k o u n 3 1 建立了固定电弧二维稳 态流体流动和传热模型，考虑了浮力、电磁力、表面张力梯度对流体流动的影响。 z a c h a r i a n t 蚓等将表面张力作为温度和硫含量的函数，定量分析了表面活性元素 和温度梯度对焊缝形状和尺寸的影响。但他们都未考虑熔池的自由表面变形。 t h o m p s o n 和s z e k e l y n 6 1 建立了固定电弧t i g 焊接熔池的二维瞬态模型，他们通过 预先施加一个熔池表面变形的初始值的方法来考虑熔池的自由表面变形。c h o o 1 研究了熔池表面和电弧耦合作用下的固定电弧焊接熔池内流场和传热过程，但 是，在该研究中熔池表面下凹不是根据模型计算而来，而是根据试验数据设定。 k o u n 巩旧1 首次建立了运动电弧t i g 焊接熔池流场和热场的三维准稳态模型，进一 步分析了熔池对流的影响。z a c h a r i a 啪1 通过自己研发的软件w e l d e rc o d e ，建 立了三维熔池的瞬态模型，并利用示踪标子方法识别和跟踪固液界面，考虑了熔 池表面的变形。 国内许多学者在这方面也做了很多研究。西安交通大学的唐慕尧教授用有限 元的方法计算了薄板准稳态温度场，但是在该模型中未考虑材料热物理性能参数 随温度变化和工件表面热损失乜。上海交通大学的陈楚等啪1 对二维稳态及瞬态温 度场进行了有限元分析。国内最早考虑流体流动对熔池传热影响的是武传松 第1 章绪论 埘1 ，他们建立了三维t i g 焊熔池的流体流动及传热模型，考虑了熔透熔池上下 表面的变形。 1 3 焊缝成形机理研究 众所周知，提高焊接效率的常用方法是增大焊接电流，提高焊接速度，但是 焊接速度的提高又会造成焊缝成形差，出现焊道咬边现象，如果速度进一步提高 将会出现“驼峰焊道，甚至造成焊缝不连续。为了改善高速焊接时的焊缝成形， 需要先了解焊缝成形不良的机理。由于咬边的出现要先于其他几种焊接缺陷，是 一种最普遍的焊接缺陷，因此国内外许多学者通过工艺试验或数值计算的方法来 分析咬边产生的内在机理。 日本的西武史啮1 ，小原昌宏汹1 等在研究埋弧焊时根据实验观察得到经验模 型，认为高速焊接时产生咬边的主要原因是由于电弧力造成的熔池后退效应。即 随焊接速度加快，熔化金属后退加大，当达到熔化金属后退位置大于焊缝最宽处 的位置时，焊缝最宽处无法被完全填充，就会发生咬边。该模型找出了焊接缺陷 和观测到的现象的一些联系，但该模型只是基于实验观察，缺乏相关的理论依据， 也无法解释咬边的内在机理。 n a k a t a 基于二维热传导理论晗 ，采用数值算法计算了薄板t i g 焊时，在电 流、焊速等参数突变时焊接熔池的响应。研究发现，当电流由小变大时，熔池长 度和宽度都增大；而电流由大变小时，或者焊接速度由小变大时，在焊接熔池中 出现两个温度峰值，并且从熔池头部开始发生沿宽度方向的收缩，随时间增长， 收缩处沿焊接方向向后移并逐渐变细，直至分为前后两个熔池，如图卜1 所示， 即“熔池分离现象，该模型虽然解释了焊接参数有突变时t i g 高速焊接成形不 良现象，但并不能解释焊接电流、焊速没有突变时焊缝成形不良的原因。 北京工业人学工学硕j ：学位论文 0 o 簧 图1 - l 焊接速度突变时的熔池分离现象 f i g 1 - 1t h es e p a r a t i o np h e n o m e n o no f w e l d i n gp o o lw h e nt h ew e l d i n gs p e e dc h a n g i n gs u d d e n l y s u d n i k 建立了焊接过程的准稳态数值模型，这在目前这一领域来说是较先进 的。在该模型中，考虑了熔池表面的对流、辐射、金属蒸发等因素。考虑了焊接 熔池周围的两相区，引入了间隙宽度和横向收缩、焊接速度和填充金属的熔敷速 率等，比较符合焊接实际情况。在计算时，考虑到表面张力随温度变化，温度决 定于表面形状，形状又决定于表面张力，多次循环迭代，最终得到稳定的结果。 但该模型只能解释电流比较高时焊缝咬边产生原因，并不能解释焊接电流小于 3 0 0 a 时，若焊速较高，仍然产生咬边，而且大电流，低速焊接，却不会产生咬 边这一现象。 m i l l s 和k e c n e 将产生咬边的机理归于熔池表面的表面张力梯度造成液态 金属的流动。当液体金属具有负的表面张力温度梯度时，将在熔池表面形成由熔 池中心向边缘的流动，从而形成宽而浅的焊缝：反之，在正的表面张力温度梯度 作用下，熔池表面液体将由熔池边缘向中心的流动，从而形成窄而深的焊缝。而 且他们通过分析熔池表面上的受力平衡，进一步提出，表面张力梯度作用下熔池 4 - 第1 章绪论 内液体流动的个重要特点是：在流动方向向下的区域会造成表面升高，而在流 动方向向上的区域会造成表面下塌，如图1 - 2 所示。这是由于在正的表面张力温 度梯度作用下，液体在由熔池中心流向熔池底部时由于受到阻力流速减慢，而边 缘的液体又流向中心，造成在中心液体堆积而上凸，而在边缘处液体流走后的空 缺得不到及时补充而下凹，产生咬边。而在负的表面张力温度梯度作用下，熔池 内液体流动方向正好相反，所以形成中间凹，而边缘凸的形状，不会产生咬边。 呵飞纩 神叻 图1 2 不同的熔池流动方向对成形的影响 f i g 1 - 2t h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tf l o wd i r e c t i o no fw e l d i n gp o o lf o rf o r m i n g 哈尔滨工业大学的冯雷啪3 建立了咬边产生机理的静力学模型，其基本原理如 下：当熔敷金属铺展到焊趾时，焊趾部三相接触线的受力情况是由( 液气界面 与水平线的夹角) 和( 熔合线与水平线的夹角) 所确定的。由于在材料、表面 状态、温度等条件一定时，固液相间的接触角p 是一个确定的约束条件，所以只有 满足+ = 9 时，三相接触线的受力才能达到平衡。否则，根据+ 矽与接触角秒 之间的关系，会出现两种情况：( 1 ) 当+ 秒时，三相接触线所受合力f 指向 熔池外部，则液体将向外流，不会产生咬边，如图1 - 3 ( a ) 所示；( 2 ) 当+ 0b ) 夕+ o ，三相接触 线处液体向外流，不会产生咬边； - o x l m ) a 1 二维 o b ) 二维 图2 - 5 定点电弧作用下模型网格的划分 f i g2 - 5 t h e m o d e l 鲈d m h u n d e r f i x e d - p o i me l e c t r i ca n t i m c l i o n 曼o _ x ( m ) “二维 b 1 三维 图2 - 6 运动电弧作_ j 下模型喇格的划分 f i g2 - 6 t h e m o d e l g r i d m e s hu n d 日m o v i n ge l e c t r i ca k f i l n e f i o n _ 00 2 对于瞬态问题的| 十算，网格的划分和时间步的设置相关，网格划分的越细， 要想得到收敛的正确结果，就需要设置很小的时j u j 步，从而计算时叫就会很长。 在焊接熔池模拟中，由于在热源附近温度梯度很大有流体流动，所以要求熔池 内的网格尽量细分。为了提高计算精度和速度，本文采用结构网格，对于定点电 弧，在热源附近将网格两次加密，而对于运动电弧，在电弧作用区将网格划得密 些，在远离热源区域划得稀疏一些。 第2 章瞬态焊接熔池流场和热场的数学模型 2 4 边界条件处理 为了能用上述控制方程求解具体焊接问题，必须给控制方程施以特定的边界 条件。在焊接问题的计算中有两类边界条件，即能量边界条件和动量边界条件。 2 4 1热能边界条件处理 定点电弧作用下，电弧热流密度呈高斯分布，运动电弧作用下，电弧热流密 度呈双椭圆分布。高斯分布和双椭圆分布的数学表达式通过f l u e n t 提供的u d f 功能使用c 语言编程，以热流通量的形式添加到工件的上表面上。 中心对称面为绝热边界： a t a t = 0 ( 2 - 9 ) 其它所有外边界为自然对流换热与辐射边界： q t o , , = h e ( t - 瓦) + 嘴( r 4 一刀) ( 2 1 0 ) 式中h 。为工件表面的换热系数，疋环境温度，盯为s t e f a n b o l t s z r n a n n 常数， f 是发射率。 熔池固液界面的几何形状由液相分数确定。这一边界是整个控制方程的求 解的一部分，无需设置内边界条件，三个相区由以下条件自动确定：户1 液相区： 0 f o ) c _ c e n t r o i d ( x ，c e l l ，m i x t u r e _ t h r e a d ) ； m - - x o ； n - - - x 1 ； f = x 【2 】； s o u r c e = o 6 5 1 6 1 5 0 * 6 s q r t ( 3 ) ( p i s q r t ( p i ) + 0 0 0 3 0 0 0 3 幸0 0 0 1 ) 宰e x p ( - ( 3 i n 宰m ) ( o 0 0 3 幸0 0 0 3 ) 一( 3 幸n 宰n ) ( o 0 0 3 幸0 0 0 3 ) - ( 3 宰p 0 ( 0 0 0 1 宰0 0 0 1 ) ) ； d s e q n = o ； ) e l s e s o u r c e = o ； d s e q n = o ； ) r e t u l t ls o u l c e ； ) 5 2 研究进展 本文分别对正负表面张力梯度作用下，定点t i g 焊接熔池进行了数值计算， 计算结果显示：负表面张力梯度下熔池中心下凹，正表面张力梯度下熔池上凸。 但是变形太大了，与实际还有一定距离。由于自由表面变形情况下的熔池流场和 热场模拟非常困难，本文经多次尝试，未能得出满意结果，证明计算中还存在一 定问题。但由于时间仓促，来不及将这一部分做完，希望这一课题方向能继续被 本实验室研究。 结论 结论 ( 1 ) 系统学习了计算流体力学软件f l u e n t ，在掌握其内部结构和特点的 基础上，基于c 语言对其进行了二次开发，使其能够应用于焊接熔池热场和流 场的数值模拟。 ( 2 ) 由熔池熔化角的大小对焊缝咬边产生之间的关系，及熔池熔化角与熔 池动态深宽比之间单调递增的关系，得出熔池动态深宽比与焊缝咬边产生之间的 关系，即焊缝咬边程度随焊接熔池动态深宽比的增大而减小。另外焊接温度场的 温度梯度与焊缝咬边产生之间也存在着一定关系，但本文只分析了不同焊接条件 下，温度场的温度梯度变化，并未将咬边产生和温度梯度直接相关联起来。 ( 3 ) 应用f l u e n t 软件，建立了定点电弧作用下的三维瞬态t i g 焊接熔池 数值分析模型。模拟了在不同焊接条件下，熔池的形态变化，由模拟结果，得知： 相同焊接电流作用下，随加热时间的增加，熔池内温度梯度减小，熔池的熔宽、 熔深增大，深宽比增大，咬边程度也随之减弱；相同能量输入时，大电流短时间 加热，温度梯度较大，熔宽、熔深较大，但深宽比较小，容易产生咬边，小电流 长时间加热时，温度梯度小，熔宽、熔深小，深宽比增大，不易产生咬边；在表 面张力梯度由- 0 0 0 0 4 到0 0 0 0 4 变化的过程中，熔池的熔宽随表面张力梯度的 增大而减小，而熔深和深宽比随之增大，咬边程度也随之减弱。 ( 4 ) 通过对运动t i g 焊接熔池热场和流场的分析得出：相同电流，不同焊 接速度时，焊接速度越大，熔池内温度梯度越大，深宽比越小，越容易产生咬边； 相同热输入，大电流高速焊接时，熔池内温度梯度大，深宽比小，容易产生咬边， 小电流低速焊接时，熔池内温度梯度小，深宽比大，不会产生咬边；热源模型参 数不同时，在保证热源作用面积相同条件下，长轴越大，短轴越小，熔池内温度 梯度越小，熔池深宽比越大，越不容易产生咬边。由此也可以得出，热源短轴方 向压缩焊接电弧，能够抑制咬边缺陷的产生。通过焊接试验得出，在产生不连续 焊缝形状参数下，当采用电磁场压缩电弧并沿其长轴方向焊接时，焊缝形状会明 显改善。模拟结果与实际试验结果相吻合。 ( 5 ) 本文对基于自由表面变化下的熔池的流场和热场模拟，以期得到在变 化的表面张力梯度作用下熔池的形态，虽然做了大量研究，最终因时间紧迫而未 能得出满意结果，希望在以后的研究工作中再继续深入研究。 参考文献 参考文献 1 冯日海铝合金双面对称焊熔池数值模拟技术研究华东船舶工业学院硕士论文 2 0 0 2 ：5 1 0 2 张建纲基于动态网格的非稳态t i g 焊接热传导模型山东大学硕士学位论文 2 0 0 2 ：l o 1 3 3 汪建华，马继计算机和数值模拟技术在焊接中的应用电焊机2 0 0 1 ，3 1 ( 1 2 ) ：3 l l 4d r o s e n t h a l t h es i m u l a t i o no f a r cw e l d i n g w e l d i n gj o u r n a l 1 9 4 1 , 2 0 ( 5 ) ：2 2 0 - - - 2 3 4 5h h 雷卡林焊接热过程计算中国工业出版社，1 9 5 8 ：5 2 - 1 2 0 6g w k r u t z w e l d i n gj o u r n a l 1 9 7 8 5 7 ( 7 ) ：2 11 - 2 1 6 7s k o u p r o c e e d i n g so f as y m p o s i u mo nm o d e l i n go f c a s t i n ga n dw e l d i n gp l o c 麟e s a u g u s t ，1 9 8 0 ，1 2 9 - 1 3 8 8j g a n d r e w s r e c m i n e f l u i df l o wi nah e r n i s p h e r ei n d u c e db yad i s t r i b u t e ds o u r c eo f c u r r e n t j f i u i dm e c h 1 9 7 8 8 4 ( 1 ) ：2 8 1 - 2 9 0 9j g a n d r e w se t a l j n u i dm e c h 1 9 7 8 。v 0 1 8 4 。p p 5 5 0 5 2 1 1 0 c s o z o u w m p i c k i n g m a g n e t o h y d r o d y n a m i cf l o wd u et ot h ed i s c h a r g eo f a ne l e c t r i c c u r r e n ti nah e m i s p h e r i c a lc o n t a i n e r j f l u i dm e c h 1 9 7 6 ，7 3 ( 2 ) ：6 4 1 - - - 6 5 0 1 1d i l a t t h e y am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rf l u i df l o wi naw e l dp o o la th i g hc u r r e n t s j f l u i d m e c h 1 9 8 0 ，9 8 ( 6 ) ：2 8 1 - 2 9 0 1 2 g m o r p e r ，j s z e k e l y h e a ta n df l u i d - f l o wp h e n o m e n ai nw e l dp 0 0 1 f l u i dm e c h 19 8 4 ， 1 4 7 ( 10 ) ：5 3 - 7 9 1 3 s k o u , d k s u n f l u i df l o wa n dw e l dp e n e t r a t i o ni ns t a t i o n a r ya r cw e l d s m e t a l l t r a m 19 8 5 ，16 a ( 2 ) ：2 0 3 213 1 4t z a c h a r i a s 九d a v i d w e l dp o o ld e v e l o p m e n td u r i n gg t aa n dl a s e rb e a mw e l d i n go f t y p e3 0 4s t a i n l e s ss t e e l w e l d j 1 9 8 9 6 8 ( 1 2 ) ：4 9 9 - 5 1 9 1 5 t z a c h a t i a s a d a v i d m o l d i n go fi n t c r f a c i a lp h e n o m e n ai nw e l d i n g m e t a lt r a mb 1 9 9 0 ，2 l ( 6 ) ：6 0 0 - 6 0 3 l6m e t h o m p s o n 。j s z e k e l y1 1 坞t r a n s i e n tb e h a v i o ro fw e l dp o o l sw i t had e f o r m e df r e e s u r f a c e i n t j h e a tt r a n s f e r 1 9 8 9 ，3 2 ( 6 ) ：1 0 0 7 1 0 1 9 17i l t c c h o oa n dj s z e k e l y m o l d i n go fh i g h - c u r r e n ta l - c 81 j l ，i t l le m p h a s i so nf r e es u r f a c e p h e n o m e n ai nt h ew e l dp 0 0 1 w e l d j 19 9 0 6 9 ( 9 ) ：3 4 6 - - 3 6 1 1 8 s k o u , h w a n g w e l dp o o lc o n v e c t i o na n di t se f f e c t w e l d i n gj 1 9 8 6 6 5 ( 3 ) ：6 3 - 7 0 1 9s k o u ，h w a n g t h r e e - d i m e n s i o n a lc o n v e c t i o ni nl a s e rm e l t e dp o o l s m e t a l t r a m 1 9 8 6 ， 1 7 a ( 1 2 ) ：2 2 6 5 2 2 7 0 2 0 t z a c h a r i a a h e r a s l a n m o l d i n go fa u t o g e n o u sw e l d i n g w e l d j 19 8 8 ，6 7 ( 3 ) ：5 3 - - 6 2 2 l 陈楚数值分析在焊接中的应用上海工业出版社，1 9 8 5 ：2 1 2 3 2 2 陈楚，汪建华非线形热传导的有限元分析和计算焊接学报1 9 8 3 ，4 ( 3 ) ：1 3 9 - 1 4 3 2 3 武传松，陈定华，吴林t i g 焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟焊接学报 19 8 8 ，9 ( 4 ) ：2 6 3 2 6 7 2 4 武传松，曹振宁，吴林熔透情况下三维t i g 焊接熔池流场与热场的数值分析金属学 报19 9 2 ，2 8 ( 10 ) ：4 2 7 - , - 4 31 6 3 北京工业人学工学硕j j 学位论文 2 5 西武史高速廿了。一少7 一夕溶接法研究( 第l 报) 【j 】溶接学会志1 9 8 2 ，3 0 ( 8 ) ：6 8 - 7 4 2 6 小原昌弘高速廿了“一少了一夕溶接法研究( 第l 报) 【j 】溶接学会志1 9 8 3 ， 31 ( 2 ) ：4 5 - - 4 8 2 7 n a k a t a ，e t a l d y n a m i ec h a r a e t e r i s t i e so ft h em o l t e n p o o ls h a p c i nt i ga r ew e l d i n gp r o e e g s o f l l l i i l s h e e t l l w d o c 2 1 2 - 6 5 4 2 8c m i l l s b j k e e n e f a c t o r sa f f e e t i n gv a r i a b l ew e l dp e n e t r a t i o n i n t e r n a t i o n a lm a t e r i a l r e v i e w 1 9 9 0 ，3 5 ( 1 ) ：1 8 5 2 1 6 2 9 冯雷，陈树君，殷树言高速焊接时焊缝咬边的形成机理焊接学报1 9 9 9 ，3 ( 1 ) ：1 6 - - 2 1 3 0 吉玲单面双弧焊接熔池数值模拟研究北京工业大学硕士论文2 0 0 5 ：2 3 2 6 3 l卢振洋焊缝咬边形成机理及高速焊工艺研究北京工业大学博士学位文2 0 0 6 ：l 扣1 8 3 21 l t c c h o oa n dj s z e k e l y t h ep o 豁i b l er o l eo ft u r b u l e n c ei ng t aw e l dp o o lb e h a v i o r w e l d 19 9 4 ，7 2 ( 2 ) ：2 5 - 31 3 3 1 l t c c h o o m o d e l i n go f h i g h - c u r r e n ta