外加電磁場作用下的電弧熔積成形過程的數(shù)值研究.pdf

1、電弧熔積成形是利用熔化極焊接電弧(GMAW)作為熱源的金屬増材制造技術(shù)，其堆積效率高，設(shè)備投入小，在制造大中型金屬零件時具有明顯成本優(yōu)勢，近年來日益受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視。電磁技術(shù)作為控制金屬凝固過程的常用手段之一，其在電弧熔積成形中抑制應(yīng)力、變形、氣孔、裂紋等缺陷和控制微觀組織等方面具有應(yīng)用潛力。然而，目前關(guān)于電磁技術(shù)應(yīng)用于増材制造中的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究都處于空白狀態(tài)。
　　本文開啟了對電弧熔積成形中電磁技術(shù)應(yīng)用的數(shù)值研究，主要建

2、立外加電磁場下電弧熔積成形過程的電磁、熱-應(yīng)力、流體分析的三維數(shù)值模型以及三者之間的耦合機(jī)制。同時，借助上述模型和耦合機(jī)制，通過仿真模擬揭示外加電磁作用對熔積過程中應(yīng)力應(yīng)變、熔池流體流動、凝固組織和性能以及熔積層宏觀形貌的影響，探索電磁輔助熔積控形控質(zhì)的內(nèi)在規(guī)律，為増材制造中電磁輔助技術(shù)的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
　　首先，提出了電弧電磁分析的簡化模型，利用該模型對外加電磁場作用下的電弧熔積過程電磁場問題進(jìn)行快速有限元分析，計(jì)算獲

3、得電磁場、電磁力和電磁熱分布。針對無外加磁場、外加恒定縱向和恒定橫向磁場等情況下的電弧熔積成形進(jìn)行電磁場分析，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合證實(shí)了所用模型和方法的正確性和適用于所有類型外加電磁場。
　　其次，率先進(jìn)行利用外加電磁熱（高頻感應(yīng)加熱）減小電弧熔積成形殘余應(yīng)力和變形的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。一方面，建立三維熱-應(yīng)力分析模型計(jì)算多層熔積成形的溫度場、應(yīng)力和變形場，并提出利用紅外攝像技術(shù)校正熱模型輸入?yún)?shù)以提高計(jì)算精度的新方法；另一方面，

4、提出電弧熔積成形過程中外加電磁熱的簡化模擬方法，實(shí)現(xiàn)了外加電磁熱的電弧熔積成形的電磁-熱-應(yīng)力耦合分析。針對電弧熱和電磁感應(yīng)熱同時作用、相互影響的雙熱源多層熔積情況，電磁熱被當(dāng)成除電弧熱源之外的第二熱源，利用典型時刻的磁熱耦合計(jì)算獲得電磁熱分布，并將該分布作為移動熱源與電弧熱一起施加到多層堆積的熱分析中。研究中還分析了不同電磁配置方案對最終殘余應(yīng)力的影響，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將感應(yīng)熱施加在電弧前方作為預(yù)熱時減小應(yīng)力和變形的效果最佳。

5、>　　再者，建立外加電磁作用下電弧熔積成形的三維電磁-流體耦合分析模型，模擬各種外加電磁場下電弧熔積熔池的流體流動和傳熱過程。流體模型是基于VOF算法和焓-孔隙率方法的三維非穩(wěn)態(tài)模型，考慮了熔池中的電磁力、表面張力、電弧壓力以及浮力等作用力，還考慮了熔滴沖擊和弧壓導(dǎo)致的熔池表面變形。同時，建立有限元電磁分析和有限體積流體仿真的耦合機(jī)制，二者之間實(shí)現(xiàn)了電磁力、電磁熱和熔池表面形狀等結(jié)果數(shù)據(jù)的雙向傳遞，流體計(jì)算中加載的電磁力和電磁熱分布是有

6、限元電磁場分析獲得的結(jié)果。
　　最后，借助建立的電磁-流體耦合分析模型，研究外加恒定縱向、恒定橫向、高頻橫向磁場對電弧熔積熔池的流體流動和傳熱過程的作用。結(jié)果顯示，外加縱向磁場驅(qū)動了熔池周向旋轉(zhuǎn)流動，增大了流動速度，旋轉(zhuǎn)流熔斷或破碎枝晶，具有細(xì)化晶粒，減小偏析，消除裂紋氣孔等有利作用；而外加特定方向和強(qiáng)度的恒定橫向磁場推動高溫熔體向熔池后方的輸運(yùn)，提高了熔池接納熔滴的能力，消除了飛濺現(xiàn)象；外加高頻電磁場可以在熔池中產(chǎn)生定向的高頻電