CMT焊接温度场及熔池流场的研究

作     者：王顺尧 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李敬勇;胡庆贤

授予年度：2013年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：CMT焊接 温度场 流场 数学模型 数值模拟 

摘      要：CMT是一种新型的低热输入焊接工艺，本文在传热学和流体动力学的基础上，结合CMT焊接工艺特点，熔滴过渡在一冷一热不断交替中完成，建立了CMT焊接三维瞬态温度场和熔池流场的数学模型。研究对于精确描述CMT焊接动态过程，深入理解CMT焊接动态过程中所发生的现象和规律将具有重要作用。 利用所建立的数学模型，研究了2号基准参数下CMT焊接过程中温度场和熔池流场分布以及动态变化规律。结果显示，随着焊接过程的进行，温度升高，熔池长大，流速增大，温度场和流场分布范围也逐渐扩大，且热源前方等温线分布比较密集，温度梯度较大，后方等温线分布相对稀疏，温度梯度较小，流体从热源中心向熔池周围扩散。当焊接过程达到准稳态之后，温度场和熔池流场的分布基本稳定，整个焊接过程中熔池的最高温度达到2047K，熔池流体的最大流速为0.069m/s。 在所建立的模型基础上，改变焊接工艺规范参数，研究了焊接规范参数对CMT焊接温度场和熔池流场的影响规律。计算表明，不同规范参数下CMT焊接温度场和熔池流场的分布形状大致相同。但是随着焊接速度的增大，温度场和流场分布范围减小，熔池大小、最高温度和流体流速减小，焊接过程中，1号、2号、3号参数下熔池最高温度分别为2125K、2047K、1938K，熔池流体最大流速分别为0.076m/s、0.069m/s、0.054m/s;而随着焊接电流的增大，温度场和流场分布范围增大，熔池大最高温度和流体流速增大，整个焊接过程中，2号、4号、5号参数下熔池最高温度分别为2047K、1926K、2218K，熔池流体最大流速分别为0.069m/s、0.048m/s、0.085m/s。 在CMT焊接冷-热交替阶段，研究了一个脉冲周期内峰值温度和基值温度作用下的焊接温度场和熔池流场的变化过程。计算表明，峰值温度和基值温度作用下的温度场基本没有变化，流场分布形状也大致相同，但是在该脉冲周期内峰值温度下熔池的最大流速为0.055m/s，基值温度下熔池的最大流速为0.006m/s。 在2号参数的基础上，分别计算了在各项驱动力单独作用下的熔池流场。计算表明，CMT焊接过程中，浮力使流体从边缘流向中心，最大流速为0.0076m/s，电磁力使流体从中心向周围扩散，最大流速为0.055m/s，重力对流体流速几乎没有影响。因此CMT焊接过程中熔池流场主要流体驱动力是电磁力。 采用模拟过程中使用的工艺参数，制定相应的CMT焊接试验方案，将试验得到的焊缝宏观形貌与模拟结果进行对比，观察其熔合线形状，发现基本吻合。