水下湿法药芯焊丝焊接熔滴过渡过程的数值模拟

论文摘要

水下焊接技术是海洋工程建设的一种重要手段,主要包括湿法、干法与局部干法三种方法,而湿法焊接由于其设备简单、操作方便、成本低等一系列优点,被广泛应用于海洋工程结构当中。由于水环境的冷却、气泡上浮、电弧漂移等一系列原因,水下湿法焊接过程具有焊接飞溅大、焊缝成形差、易断弧等问题。作为焊接传质传热的重要途径,熔滴过渡的稳定性很大程度上会影响焊接质量。通过建立合理的数学分析模型,对水下湿法焊接熔滴过渡过程进行数值模拟,定量分析影响熔滴过渡的物理量以及熔滴动态演变规律,具有重要的理论意义和实用价值。本文根据流体力学与电磁学基本理论,建立了水下药芯焊丝湿法焊接熔滴过渡过程的三维数值分析模型,考虑重力、表面张力、电磁力以及气泡上浮对熔滴过渡的影响。并且针对水下焊接过程中复杂的环境进行适当简化与假设处理。在流体力学分析软件ANSYS FLUENT中,通过对软件进行二次开发将熔滴过渡受力受热条件进行合理设定。采用有限体积法对微分方程进行离散化处理,利用VOF法追踪两相界面,并且通过PISO算法进行求解。定量分析了水下药芯焊丝湿法焊接熔滴在各种驱动力的作用下不断长大,最后脱离焊丝落入熔池的物理过程。数值模拟结果显示,在水下湿法焊接过程中,焊接电弧始终位于熔滴的底部,不能将熔滴包裹,电弧形态较为拘束。焊丝端部受到电弧的加热而熔化并且在表面张力的作用下趋向于半球形,由于电弧能量的集中分布导致熔滴受到的轴向电磁力为阻碍熔滴过渡的作用力。同时,在焊接过程中,电弧下方的水被快速加热分解,加之熔池受热也会释放出气体,由于水压的存在使得这些生成的气体不能向四周自由扩散,而是以气泡的形式向上运动,高速流动的气流作用在不断长大的熔滴上,形成阻力。在层流状态下,即雷诺数较小时,流动速度较快的流体会对流动速度较慢的流体产生拖曳作用,阻碍熔滴过渡,使得熔滴脱落困难,最终形成大滴状过渡。最后通过高速摄像机与电信号传感器对熔滴过渡过程进行视觉信号与电信号进行采集,验证了模型的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 第1章 引言
•   1.1 课题研究背景及意义
•   1.2 水下湿法焊接原理及研究概况
•     1.2.1 水下湿法焊接原理及特点
•     1.2.2 水下湿法焊接熔滴过渡研究现状
•   1.3 水下焊接过程数值模拟研究现状
•     1.3.1 水下焊接温度场、应力场的模拟
•     1.3.2 水下焊接电弧、熔池流动的模拟
•   1.4 熔滴过渡数值模拟研究现状
•     1.4.1 静力学平衡理论
•     1.4.2 收缩不平衡理论
•     1.4.3 质量-弹簧理论
•     1.4.4 能量最小原理
•     1.4.5 流体动力学理论
•   1.5 本课题主要研究内容
• 第2章 水下药芯焊丝湿法焊接熔滴过渡数学模型的建立
•   2.1 水下药芯焊丝湿法焊接熔滴过渡特点
•   2.2 水下湿法焊接熔滴过渡受力分析
•     2.2.1 重力
•     2.2.2 表面张力
•     2.2.3 电磁力
•     2.2.4 斑点压力
•     2.2.5 气泡内气流阻力
•   2.3 简化与假设
•   2.4 几何模型的建立
•   2.5 控制方程组
•     2.5.1 连续性方程
•     2.5.2 动量守恒方程
•     2.5.3 能量守恒方程
•     2.5.4 电磁场方程
•     2.5.5 VOF方程
•   2.6 边界条件
•   2.7 物性参数
•   2.8 数值模型算法
•   2.9 水下湿法焊接熔滴过渡数值模拟的难点
•   2.10 本章小结
• 第3章 直流条件下水下湿法焊接熔滴、电弧行为模拟结果与讨论
•   3.1 电弧形态与行为规律
•   3.2 熔滴形态与行为规律
•     3.2.1 熔滴过渡过程
•     3.2.2 熔滴过渡过程中的电场分布特点
•     3.2.3 熔滴内部流场分析
•     3.2.4 熔滴内电流密度与电磁力分析
•     3.2.5 表面张力系数与动力粘度对熔滴过渡的影响
•   3.3 本章小结
• 第4章 脉冲电流水下湿法焊接熔滴、电弧行为模拟结果与讨论
•   4.1 脉冲电流水下湿法焊接熔滴过渡调控原理
•   4.2 电弧形态与行为规律
•     4.2.1 电弧温度场分布
•     4.2.2 电弧速度场分布
•   4.3 熔滴形态与行为规律
•     4.3.1 熔滴过渡过程
•     4.3.2 熔滴内部流场分析
•     4.3.3 脉冲电流对熔滴受力的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 数值分析模型实验验证及理论分析
•   5.1 试验材料、设备及视觉检测方案
•     5.1.1 试验材料
•     5.1.2 试验设备
•     5.1.3 视觉检测方案
•   5.2 直流条件下电弧、熔滴模拟结果的实验验证
•     5.2.1 焊接电弧形态检测与模拟结果对比分析
•     5.2.2 熔滴过渡过程检测与模拟结果对比分析
•   5.3 脉冲电流条件下电弧、熔滴模拟结果的实验验证
•     5.3.1 焊接电弧形态检测与模拟结果对比分析
•     5.3.2 熔滴过渡过程检测与模拟结果对比分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邢长健

导师: 高进强

关键词: 水下湿法焊接,熔滴过渡,数值模拟,试验验证

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 山东大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(批准号51675310),项目名称:“基于脉冲电流调控的水下湿法FCAW熔滴自由过渡机理研究”

分类号: P755.1

总页数: 90

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