全熔透tig焊接熔池形态瞬时行为的数值模拟

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1、山东大学博士学位论文全熔进TIG焊接烙池形态瞬时行为的数值模拟‘摘要建立焊接熔池表面变形动态行为与工件熔透程度的相关性，定量分析熔池熔透瞬间熔池上下表面变形及其对焊接工艺参数的动态响应，将为实现基于正面视觉的TIG焊接熔透控制提供指导性的基础数据。本文从统一、整体的观点，较全面地描述了运动电弧、三维流场和热场、瞬态、全熔透以及熔池上下表面变形等因素，建立了全熔透TIG焊接熔池瞬时行为的数值分析模型。在分析熔池表面变形的基础上，利用适体坐标变换将熔池表面变形后所形成的复杂物理边界转变为规则的计算边界。建立了适体坐标系下的离散化控制方程组，采用附加源项法对控制方程组的能量和动量边界条件进行了离

2、散。在模型中，采用表面变形、流场和温度场的分离式求解方法，即三者分别求解，依次改进，成功地处理了熔池表面变形与流场和热场的祸合问题。采用模块化结构设计，编写了一套适合于模拟运动电弧作用下三维瞬态TIG焊接热过程的计算程序。利用所建立的模型，对TIG焊接的整个过程(包括起弧、熔池形成、熔池长大、熔透、达到准稳态、熄弧)进行了数值模拟。得出了不同工艺条件下熔池上下表面的表面变形、三维形状和熔池内的流场动态发展过程，特别是熔池从未熔透到全熔透的过程中熔池表面变形和三维形状的瞬时演变过程。还计算了不同焊接电流条件下熔池表面的动态行为，如最大变形、熔池长度和宽度的变化等。数值模拟结果表明，熔池上表面

3、最大下塌量与熔池长度、宽度的比值随时间的变化曲线，清晰地反映出熔池演化和熔透的基本信息，熔池上表面最大下塌量和熔池长度、宽度的比值可以用作判断熔池熔透情况的指标性参量。利用本文模型，模拟了焊接工艺参数发生阶跃变化时，熔池表面变形和三维.美国国家科学荃金资助项目〔批准号:DMI-0114982.与美国肯塔基大学联合申报)摘要形状的动态响应。计算了焊接电流从I1OA阶跃变化为90A时，以及焊接速度从160mmlmin阶跃变化到180mmlmin时焊接熔池三维形状、熔池表面变形和熔池流场随时间的动态变化过程。从熔池形状达到宏观准稳态的角度，确定了焊接工艺参数阶跃变化时的过渡过程时间。计算结果表明

4、，熔池上表面最大下塌与熔池长度、宽度的比值曲线能够较好地反映焊接工艺参数的变化情况。建立了熔透熔池整体受力的力学模型，发现以熔池下表面为底的金属液柱的受力情况决定了焊接过程中工件是否焊穿。根据金属液柱的受力分析，提出了一定材质和形状的工件焊穿的判定准则。从理论上分析了影响工件焊穿的各种因素，并计算了准稳态熔池中决定熔池塌陷的各力的大小和比例。利用所建立的模型，对于一定材质和形状的工件所适用的焊接工艺参数(焊接电流)进行了判断和预测。进行了不锈钢和低碳钢试件TIG焊接工艺实验，测量了熔池上表面形状、焊缝轮廓尺寸和下塌变形.将实验测试数据与数值模拟结果进行了对比，结果表明，本文数值模拟的计算数

5、据与实测数据吻合良好。通过数值模拟和实验验证，获得了不同焊接工艺条件下TIG焊接熔池动态行为的基础数据，为焊接工艺的优化设计和焊接过程的智能控制提供了重要的理论依据。关键词:TIG焊接，熔池形态，表面变形，瞬时行为，全熔透，数值模拟山东大学博士学位论文NumericalSimulationoftheTransientBehaviorsofFull-penetratedTIGWeldPoolsABSTRACTEstablishingthecorrelationbetweendynamicbehaviorsofsurfacedeformationofweldpoolsandworkpiecep

6、enetrationinformation,andquantitativelyanalyzingthesurfacedeformationattopandbotomsurfacesatthemomentwhenthepoolispenetratedandtheirdynamicresponsestoweldingprocessparameterswillprovidemanybasicdatafortherealizationoftopsidevision-basedpenetrationcontrolinTIGwelding.Atransientnumericalmodelisdevel

7、opedtoinvestigatethedynamicbehaviorsoffull-penetratedTIGweldpoolsinthisthesis.Awholeandcomprehensiveschemeisusedinwhichmanyfactorssuchasmovingarc,3-Dfluidandheatflowfields,transientstate,full-penetratedweldpoolan