316LN不锈钢窄间隙TIG焊电弧特性与熔池行为的数值模拟

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1、硕士学位论文316LN不锈钢窄间隙TIG焊电弧特性与熔池行为的数值模拟NUMERICALSIMULATIONOFARCCHARACTERISTICSANDMOLTENPOOLBEHAVIORSINNARROWGAPTIGWELDINGOF316LNSTAINLESSSTEEL董博伦哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TG403学校代码：10213国际图书分类号：621.7密级：公开工程硕士学位论文316LN不锈钢窄间隙TIG焊电弧特性与熔池行为的数值模拟硕士研究生：董博伦导师：林三宝教授申请学位：工

2、程硕士学科：材料工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年06月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG403U.D.C:621.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFARCCHARACTERISTICSANDMOLTENPOOLBEHAVIORSINNARROWGAPTIGWELDINGOF316LNSTAINLESSSTEELCandidate：DongBolunSuperviso

3、r：Prof.LinSanbaoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsSCI.&Eng.DateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要316LN不锈钢是一种核电领域常用的结构材料，实现其厚壁产品的

4、窄间隙焊接能够在提高效率的同时避免焊接变形大，焊缝耐腐蚀性差等问题。然而窄间隙焊接的可控参数众多，对侧壁、层间未熔合缺陷的敏感，且返修困难。为了保证焊接质量，焊接参数需要达到合理的配置。本课题对316LN窄间隙TIG焊接的电弧特性和熔池行为开展了数值模拟研究，旨在深入认识窄间隙TIG焊的基本物理过程，为焊接工艺的制定提供理论支撑。首先通过对平板对接和窄间隙坡口中的TIG电弧特性进行数值模拟，对比分析了窄间隙坡口对电弧特性的影响。在窄间隙坡口中，由于保护气体走向变化带来的压缩作用使电弧高温区面积扩大，等离子体与

5、阳极壁面对流换热更加充分，电弧热效率得到了提高。等离子体轴向流动速度的加快使阳极表面电弧压力相比平板对接增加了50%以上。坡口底部形状引起电流线走向变化，使阳极表面的电流密度偏离高斯分布。再结合窄间隙TIG焊接过程的特点，考察了空间位置、阳极表面形状和焊接参数对电弧特性的影响，以深入认识窄间隙中的TIG电弧特性。发现电弧向侧壁移动时，电弧高温区向同侧移动且面积增大，低温区向反方向偏移，电弧的热效率有所降低。电弧等离子体在阳极附近的流动速度趋向于与坡口平行，使电弧空间的压力显著减小，电弧的导电通道向偏移侧集中。

6、阳极表面曲率减小时，电弧弧根收缩，热效率降低，电弧压力峰值基本保持不变，阳极表面电流密度中心峰值随其曲率减小而增大，导电通道外侧的电流密度突变则被削弱。焊接电流的增大时，电弧高温区面积扩大，电弧空间内的压力提高，电流密度峰值增加且分布范围扩大。电弧长度增大时，电弧高温区面积和峰值温度基本不受影响，而轴线上温度梯度和速度梯度降低，阳极表面电弧压力峰值减小。最后在深入认识了窄间隙中TIG电弧特性的基础上对打底焊熔池行为进行了数值模拟。采用动态面热源和电弧压力模型，通过坐标匹配修正电磁力模型提高了模拟精度，并初步探

7、索了TIG填丝焊稳定桥络过渡的实现方法。研究了自熔打底焊和填丝打底焊时的熔池瞬态行为，考察了焊接工艺对熔池流动的影响。发现在电流较大的情况下，自熔打底焊熔池中电磁力为主要驱动力，熔池横截面内为向内的漩涡流动，纵截面内只存在单一顺时针环流。在熔池的形成过程中，漩涡的动态变化是影响熔池形态的主要因素。填丝打底焊过程中，填充金属的过渡加快了熔池流速，抑制了横截面内涡流，而纵截面内涡流被加强，-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文填充金属进入熔池先被漩涡带入熔池底部，再向熔池后方运动。随着焊接电流的增加，熔池内液态金属

8、流动速度加快，横截面内漩涡范围增大并向电弧中心靠拢，纵截面内漩涡位置向后方移动，电弧正下方具有垂直向下速度的液态金属范围增大；随着焊接速度的增加，熔池内液态金属流动速度减慢，漩涡范围减小并向熔池表面靠近，纵截面内电弧下方液态金属流速由斜向下指向熔池前方变为斜向下指向熔池后方。关键词：316LN不锈钢；窄间隙TIG焊；电弧特性；熔池行为-II-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Abstract316LNS