焊接熔池動態(tài)過程及電弧能量分布的數(shù)值模擬.pdf

1、焊接過程是一個牽涉到電弧物理、傳熱傳質(zhì)、金屬的熔化與凝固的復雜過程，焊接電弧的能量分布以及焊接熔池中的流體流動及其傳熱過程對焊接質(zhì)量有著極為重要的影響。采用科學的方法建立焊接熔池和焊接電弧的數(shù)學模型，定量地分析焊接熔池中流場與熱場，描述焊接熔池中的傳熱及流體流動，分析焊接電弧的形態(tài)及能量分布，對實現(xiàn)焊接過程的智能化有著重要的實際和理論意義。 根據(jù)能量守恒的基本原理和流體力學以及傳熱學的理論知識，本文建立了運動電弧作用下三維GMA

2、W、TIG焊接熔池的非穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型，并采用有限元方法對模型進行了離散化處理。在模型中綜合考慮了使熔池金屬產(chǎn)生運動的浮力、電磁力、表面張力、熔滴沖擊力等驅(qū)動力，并且考慮了熔滴帶入熔池的熱量和動量對整個焊接熱循環(huán)過程的影響，同時考慮了材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化、焊接過程中熔池與外界的能量的交換，以及熔化/凝固相變對熔池流場及溫度場的影響。 根據(jù)磁流體動力學理論，應用流體動力學方程和麥克斯韋方程，本文建立了直流氬氮氣體保護TIG

3、焊電弧軸對稱數(shù)學模型，模擬了焊接電弧的熱過程和流體流動。模型中采用了符合實際的尖端陰極形狀，氬氣和氮氣的物理性能參數(shù)對溫度高度非線性，選取了合理的邊界條件。計算電場時將陰極和弧柱結合起來，避免了對陰極電流密度分布的假設。在ANSYS軟件分析中采用模塊化計算，分別建立溫度場、電磁場和流場的幾何模型，相互調(diào)用計算結果迭代運算。 根據(jù)GMAW、TIG焊接熔池溫度場和流場的特點，本文利用通用有限元軟件ANSYS，采用非均勻網(wǎng)格對單元進行

4、了劃分，使用熱源疊加的方式對GMAW、TIG焊接熔池熱量的吸收進行了處理，對所建的數(shù)學模型進行求解。計算了焊接電流和焊接速度對焊接溫度場分布的影響。通過焊接工藝實驗，測量的焊縫熔寬和熔深結果與計算結果相比較，結果表明本文所建模型的計算值和實際測量值相差不大，驗證了所建模型和采用的軟件方法是正確、可靠的。 根據(jù)GMAW焊接過程的特點，結合智能診斷的基本理論，并利用誤差反向傳播算法(BP算法)建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡質(zhì)量預測模型，應用計算

5、工具MATLAB對神經(jīng)網(wǎng)絡預測模型進行了計算。此外，還對質(zhì)量智能診斷過程中的特征提取和逆ANN模型的計算方法進行了初步的研究，給出了基本的算法程序。并采用焊接工藝實驗對本文所建立的質(zhì)量預測模型進行驗證。實驗結果表明，所建立的模型和采用的計算方法是正確和可靠的。 采用溫升法測量了氬氮保護TIG焊電弧的熱功率和靜特性。對電弧熱功率的計算表明，隨著氮氣含量的增加，不僅總的電弧熱功率增加，陽極熱功率占整個電弧熱功率的比例明顯提高。對直流