MIG焊接熔池形成与凝固过程数值模拟

俘 掳 试验研究 MI G 焊 接 熔 池 形 成 与 凝 固过 程 数值 模 拟 上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点试验 室 2 0 0 2 4 0 吴东升华学明 叶定剑 张菁顾煜李芳 摘要利用 F L O W3 D软件建立三维数学模型 模拟 A 3 6船用低碳钢熔化极惰性气体保护焊 MI G 的瞬态温度 场和流场 分析起弧后熔池形成和熄弧后熔池凝固两个过程 采用了双椭球热源模型 考虑了重力 电弧压力 表 面张力 电磁力 浮力 以及辐射 蒸发 熔滴的动态冲击作用 结果表 明 熔池形成过程中 熔池前部发生下凹变 形 熔深慢慢增大 达到准稳态后基本保持不变 电弧下方液态金属温度最高 最高温度随时间变化不大 熔池内 同时存在熔滴冲击力 电磁力引起的向内流动和表面张力引起 的向外流动 熄弧后 熔池内只存在表面张力引起 的向外流动 震荡幅度降低 熔池横截面具有一个较大的外接触角 均大于 I r 2 此时尽管存在液态金属的震荡 熔池也是稳定的 模拟预测的焊缝尺寸 形状与试验吻合良好 关键词 A 3 6低碳钢双椭球热源熔池流动熄弧熔 池凝固 中图分类号 T G 4 0 2 0前 言 熔化极惰性气体保护焊 MI G 广泛应用于焊接生 产 中 焊接过程 中 焊丝和工件之间产生 电弧 焊丝熔 化形成熔滴 熔滴慢慢长大 在重力 表面张力 电磁力 等作用下脱落 工件在 电弧热 和熔滴 周期性冲击下 熔化并形成熔池 熔池 内的流体流动受到 电弧压力 电磁力 重力 表面张力 浮力 熔滴冲击力等影响 对 G M A W 最终 的 焊缝成形具有重要影响 Y A d o n y i 等人 研究表 明 作用在熔池表 面垂直方 向上 的电弧压力 主要引起熔 池表面的变形 作用在熔 池内的电磁力需要利用电流 密度分布来预测 钨极惰性气体保护 焊 G T A W 的电 流密度呈高斯函数分布 J 由于受到熔滴过渡的影 响 MI G的电流密度难 以测量 表面张力梯度引起的对流 Ma r a n g o n i 对流 对熔池形貌有重要影响 C R H e i p i e 和 J R R o p e r 发现 在 G T A W 焊接过程中 利用表面 活性元素 如硫 可改变 Ma r a n g o n i 对流 的方 向 相 比 G T A W MI G焊熔池还受到熔滴 的冲击作用 在数值模 型 中必须要将其考虑进去 M U s h i o和 Wu C 4 建立 了三维数值模型 研究移动 MI G熔池 内的流动和热传 递 熔滴对熔池 的冲击力近似为一个恒定 的力 Wa n g Y 和T s a i H 5 3 在静 止G M A W焊数值模 型 中考虑 了熔 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 3 1 基 金项 目 国家 自然科学基金 5 1 2 7 5 2 9 9 6 2 0 1 5年第 9期 滴的动态 冲击作用 利用 V O F v o l u m e o f fl u i d 方法来 追踪熔池 的自由表面 C a o Z 6 3 在三维瞬态数值模型 中将熔滴 假设 为具有一定 尺寸 速度 温度 的球状 液 滴 模拟了熔滴下落到熔池后所引起 的热传递 和流体 流动效应 M H C h o 7 也将熔 滴 近似为一个 球状 液 滴 利用高速摄影获取熔滴的尺寸 速度 过渡频率 建 立模型模拟脉冲 M I G 并对 比了测量与预测 的焊缝尺 寸 瞬时半径 和温度 Hu J 和 T s a i H L 建立 了 一 个二维模型研究电弧 电极 的熔化 熔滴形成 分离 和对熔池 的冲击作用 熔池内的流动 熄弧后 电极和熔 池的凝固 此外 M S c h n i c k J J A B Mu r p h y J J Ha i d a r 等人 l 在弧焊模 型中还考虑 了金属蒸发对熔池 电极 和熔 滴 的 影 响 H u J 1 4 C h e n J D C h o等 人 埔 研究了 MI G焊 V形坡 E l 焊 中熔池流动情 况 C h e n M J I 2 M H C h o等人 通过模拟熔池 内 的流动情况来分析高速 G M A W 焊缝缺陷的形成原因 起弧后熔池 的形成 过程 已有详细 的讨论 但是很 少有学者建立 三维模 型去研究熄 弧后熔 池 的凝 固过 程 文中试图建立一个三维瞬态模型 考虑 了重力 电 弧压力 表面张力 电磁力 浮力 以及辐射 蒸发 熔滴 的动态冲击作用 研究起弧 熄弧后熔池 内的流动 1 试验过程 MI G焊接工艺条件为 焊接 电流 3 0 0 A 电压 2 8 V 焊接速度为 0 6 m m i n 焊丝为 1 2 m m 的 J M 5 3牌号 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 一 试验研究 r蜉搭 C h o D Na S C h o M e t a 1 A s t u d y o n V g r o o v e GMAW f o r v a ri o u s w e l d i n g p o s i t i o n s J J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y 2 0 1 3 2 1 3 9 1 6 4 0 1 6 5 2 Ch o D S Na Mo l t e n po o l be ha v i o r s for s e c o n d pa s s V gro o v e G MA W J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f He a t Ma s s Tr a n s f e r 2 01 5 88 94 5 9 56 陈姬 武传松 高速 G MA W 驼峰焊道形成过程的数值 分析 J 金属学报 2 0 0 9 4 5 1 0 7 0 1 0 7 6 C h e n M J Wu C S Nu me ric al a n a l y s i s o ff o r mi n g me c h a n i s m o f h u m p b e a d i n h i g h s p e e d G M A W J We l d i n g i n t h e Wo r l d 2 0 1 0 5 4 9 1 0 2 8 6 2 9 1 Ch o M H F a r s o n D F Un d e r s t a n d i n g b e a d h u mp f o rm a t i o n i n g a s me t a l a r c w e l d i n g u s i n g a n u me ri c a l s i m u l a t i o n J Me t al l u r g i c al a n d ma t e r i al s t r a n s a c t i o n s B 2 0 0 7 3 8 2 30 5 31 9 2 2 G o l d a k J C h a k r a v a r t i A A n e w f i n i t e e l e m e n t mo d e l for w e l d i n g h e a t s o u r c e s J M e t a l l u r g i c a l T r a n s a c t i o n s B 1 9 8 4 1 5 2 2 9 9 3 0 5 2 3 C h o M H F a r s o n D F S i mu l a t i o n s t u d y o f a h y b ri d p r o c e s s f o r t h e p r e v e n t i o n o f w e l d b e a d h u m p f o rma t i o n J We l d i n g J o u rna l 2 0 0 7 8 6 9 2 5 3 作者简介 吴 东升 1 9 9 1年 出生 硕 士 助理 工程 师 主 要研 究方向为先进焊接工艺与焊接数值模拟 已发表论 文 1篇 基 于 霍 尔 芯 片 的大 电流 测 量 电路 设 计 华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州市5 1 0 6 4 1 崔晓宇曹彪 威 凯 检 测 技 术 有 限 公司 广州市5 1 0 6 6 3 陈宇军 摘要使用线性霍尔芯片 A H 3 5 0 3研制大电流测量电路 通过测量电阻焊机输出回路的磁感应强度来反映电 流的大小 实现大电流的非接触准确测量 使用有限元软件 A N S Y S对电流产生的磁感应强度分布进行模拟 确定 输出端的合理形状和霍尔传感器的合适放置位置 设计测量电路系统并进行标定 获得了测量电路输出电压与电 流的对应关系 试验结果表明 测量信号与电阻焊电流有很好的线性对应关系 通过合理设计可以利用霍尔器件 直接测量电阻焊大电流 对比传统有磁芯式霍尔电流传感器 消除了磁芯对测量范围和测量精度的影响 扩大了 测量范 围 降低 了成本 关键词 霍尔元件磁 场有限元分析焊 接电流 中图分类号 T G 4 3 8 2 0前 言 在电阻焊过程 中实际焊接 电流 的大小 和电流 的变 化情况对焊点 的质量有很大影 响 J 因此对焊 接 电 流进行准确 的测量及精确实时的反馈对焊点质量的控 制有着重要意义 目前主要采用 电流互感 器 R o g o w s k i 线圈测量次级 电流或采用霍尔 电流传感器测量初级电 流进行 电流反馈控制 l 4 J 其 中霍尔 电流传感器的优 势 突 出 它结构简单 准确度高 便于远距 离测量且对 收稿 日期 2 0 1 5 0 2 0 2 基金项 目 国家 自然科学基金 5 1 1 7 5 1 8 4 被测电流回路没有影响 卜引 基于霍 尔器件 的电流传 感器有两种工作模式 直接检测式与零磁通式 直测 式霍尔传感 器通过特殊设 计 可 以任意调 整 比例 和零 点 波形质量好 是计算机等数据采集系统与一次系统 理想的接 口设备 目前直测试霍尔大 电流传感器具 有一开气隙环形导磁芯来聚集磁场 霍尔器件置 于气