超声波辅助MIG焊接电弧形态与熔滴过渡行为的数值模拟研究

作     者：付水淇 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马国红;赖勇来

授予年度：2024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：超声辅助MIG焊 数值模拟 熔滴过渡 焊接电弧 

摘      要：熔化极惰性气体保护焊作为一种经济而且易于实现自动化的材料连接手段受到广泛的欢迎,在添加超声波后可以改善其过程稳定性并使焊接接头性能得到一定程度的提升。由于实验的方法和条件的限制无法对超声辅助焊接热过程进行定量分析,通过数值模拟与试验相结合的手段,实现对超声电弧形态和熔滴过渡行为的定量计算和分析,为实现和优化U-MIG焊接过程的控制和工艺方案提供理论依据和数据支撑。 论文结合连续性方程、能量方程、Navier-Stokes方程和麦克斯韦方程组,在合理的简化条件下,利用ANSYS Workbench软件分别针对普通MIG(Melt Inert-gas Welding)焊接和添加横向超声波的U-MIG(Ultrasonic-assisted Melt Inert-gas Welding)焊接进行三维数值建模。通过选取Fluent模块在C程序语言的基础上利用UDF(User Defined Functions)程序编写实现添加动量及能量源项、边界条件和物性参数等控制条件,利用用户自定义内存UDM(User Defined Memory)对计算过程中的相关数据进行存储。模拟过程中将超声波视为焊丝的边界运动,利用动网格方法实现其引入。在设置相应收敛条件完成计算后,利用后处理软件实现对MIG焊和U-MIG焊电弧形态和熔滴过渡行为的数值分析。 通过对比各电流条件下MIG焊和U-MIG焊的数值模拟结果,发现在电弧等离子体的模拟中超声波对电弧最大压力约有25%的提升,超声波的引入使峰值温度出现了不到2%的提升并且电弧弧根处出现了明显的收缩。熔滴过渡的模拟结果显示在超声辅助的作用下,熔滴的尺寸出现了显著的减小,过渡的频率也会一定程度增加,同时有可能会少量减少飞溅的产生,并且会使过渡更加均匀。通过搭建的超声辅助MIG焊实验系统,进行与模拟条件相同参数的焊接实验,利用高速摄像机采集电弧形态和熔滴过渡数据,通过图像算法对采集的数据图像进行处理。通过得到的采集数据发现添加横向超声波对电弧有明显的收缩,同时熔滴过渡频率也得到了促进,实验和模拟的结果基本一致。