【摘要】：隨著薄壁零件在航天航空、汽車制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,薄壁零件的加工制造工藝成為當(dāng)前研究熱點。但傳統(tǒng)加工方法工藝復(fù)雜、制造周期長、材料利用率較低,故以堆焊為基礎(chǔ)的薄壁零件快速成形技術(shù)迅速興起。但薄壁特征導(dǎo)致熔池“下淌”較為突出,嚴(yán)重影響其成形精度,為解決上述問題,論文結(jié)合快速成形原理,采用微束等離子焊接系統(tǒng),提出利用外加電磁場輔助焊接過程以提高薄壁零件堆焊成形精度的控制策略。論文以304不銹鋼零件的堆焊為研究對象,應(yīng)用COMSOL有限元分析軟件建立數(shù)學(xué)模型,并對其熔池形態(tài)及流場特性進行研究。模型使用等效比熱容法考慮相變潛熱對溫度場分布的影響,通過在動量方程中添加體積力體現(xiàn)熔池受力情況。仿真結(jié)果表明:薄壁特征導(dǎo)致熔池區(qū)域等溫線為倒梯形,非熔池區(qū)域等溫線為水平分布;表面張力是影響熔池流場特性的主要因素,在熔池中心溫度高,表面張力較小,熔池邊緣溫度低,表面張力較大,故表面張力梯度驅(qū)使流體沿徑向從中心向邊緣流動,并在邊緣處向下運動,將更多熱量帶入熔池底部,形成向兩側(cè)“下淌”的現(xiàn)象。為探討影響表面張力變化的關(guān)鍵因素,建立在氬氣保護氛圍下包含熔滴過渡、熔池自由表面變形及凝固在內(nèi)的固、液、氣三相統(tǒng)一模型。模型采用改進的水平集法捕捉氣-液界面自由表面運動變化,通過對流體速度的散度求解,保證氣液相體積的守恒。為處理氣相區(qū)和液相區(qū)材料屬性急劇變化引起的不收斂問題,引入Heaviside函數(shù)對密度、粘度及熱導(dǎo)率等進行平滑處理。采用焓孔隙率法描述固-液界面熔化及凝固過程,將固化過程并入了體積力方程中,解決了在氣液兩相流模型中處理第三相的相轉(zhuǎn)變問題。并對表面張力系數(shù)、表面張力溫度系數(shù)以及接觸角進行了詳細的分析,確定了各參數(shù)對于熔池成形的影響規(guī)律。為調(diào)控表面張力對熔池“下淌”產(chǎn)生的影響,提出利用非接觸力-電渦流力提高堆焊成形精度的方法。該方法將高頻正弦交流電通入勵磁線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場,同時此磁場在熔池表面感生電渦流,電渦流受到磁場的作用會產(chǎn)生指向熔池中心的電渦流力,達到抑制熔池向兩側(cè)“下淌”的目的。為了得到勵磁線圈最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)和電參數(shù),基于麥克斯韋方程給出高頻交變電磁場中熔池表面的渦流密度、磁通密度及電場強度的解析方程,并通過建立高頻勵磁裝置的數(shù)學(xué)模型,求解出工件表面上磁通密度、渦流密度和電渦流力的分布規(guī)律。隨后建立了堆焊過程中溫度場-流場-外加電磁場多場耦合數(shù)學(xué)模型,該模型揭示了外加電磁場對熔池流體流動特性的影響規(guī)律,通過抵消表面張力的作用,改變了熔池流體漩渦中心位置,使熔池內(nèi)流體流速分布更加均勻,從而實現(xiàn)對熔池成形的精確控制。搭建了微束等離子堆焊精確成形控制平臺并進行了多層堆焊試驗。通過對比施加電磁場前后堆焊層形貌的變化,對外加磁通密度與熔寬變化量、余高變化量進行回歸分析并建立相應(yīng)的回歸方程,其熔寬變化量滿足三次方程,余高變化量滿足冪函數(shù)方程,從而為外加電渦流力控制成形技術(shù)提供理論依據(jù)。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徐富家［１３］等將脈沖等離子焊接與金屬ＲＰ技術(shù)相結(jié)合，研逡逑究了不同焊接工藝參數(shù)對多道對接軌跡寬高比的影響規(guī)律，并完成多層薄壁零件逡逑的直接成形。如圖１－３所示。逡逑＂嘴＿逡逑（ａ）多層單道成形邐（ｂ）空心薄壁零件逡逑圖１－３薄壁零件脈沖等離子堆焊成形逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｐｕｌｓｅ邋ｐｌａｓｍａ邋ｗｅｌｄｉｎｇ邋ｆｏｒｍｉｎｇ邋ｏｆ邋ｔｈｉｎ邋ｗａｌｌ邋ｐａｒｔｓ逡逑聯(lián)邦理工大學(xué)Ｐ．Ｋ．邋Ｆａｒａｙｉｂｉ［１４］將激光和電子束加工相結(jié)合，進行了邋Ｔｉ－６ＡＩ逡逑－４Ｖ材料的多層和多道快速成形研宄。其側(cè)重點是如何更好的規(guī)劃多層的余高逡逑和多道的道間隔。賓夕法尼亞州立大學(xué)Ｔ．邋Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ等［１５】建立了邋Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ在增逡逑材制造過程中的三維瞬態(tài)傳熱和流場流動模型，發(fā)現(xiàn)層厚越小每層的溫度峰值越逡逑大，這會減小殘余應(yīng)力，而熔融金屬對流收到表面張力驅(qū)動，且對流對溫度的影逡逑響比熱傳遞作用明顯。逡逑哈爾濱工業(yè)大學(xué)柏久陽［１６］等利用二次通用旋轉(zhuǎn)組合的方法設(shè)計了實驗樣本，逡逑通過二次回歸方程建立工藝參數(shù)與成形試樣穩(wěn)定區(qū)域的焊道寬度尺寸預(yù)測模型，逡逑發(fā)現(xiàn)影響焊道寬度的主要因素依次為焊接電流、焊接速度和層間溫度。圖１－４是逡逑利用該模型試驗得出的薄壁立板和薄壁圓筒類零件。逡逑３逡逑

（ａ）薄壁立板邐（ｂ）薄壁圓筒逡逑圖１－４絲材電弧X棽鬧圃斕模擔(dān)粒埃堵梁轄鵒慵義希疲椋紓澹保村澹擔(dān)粒埃跺澹幔歟酰恚椋睿酰礤澹幔歟歟錚澹穡幔潁簦簀澹恚幔洌邋澹猓澹遙幔穡椋溴澹校潁錚簦錚簦穡椋睿玨澹停幔睿酰媯幔悖簦酰潁椋睿玨澹錚駑澹鰨椋潁邋澹幔潁沐義仙鮮鲅芯慷嘟氐慵性諍附庸ひ詹問蚵肪豆婊撓嘔矯媯怯捎詰玨義匣】燜儷尚沃圃旃討寫嬖諉饗緣摹敖滋菪вΑ�，熏F(xiàn)賾跋熗肆慵尚沃柿�，国辶x夏諭庋д呶溆跋歟岣叱尚尉確矯娼辛訟喙匱繡場Ｒ獯罄ㄋ嵫譴簀義涎У模牽椋錚觶幔睿睿殄澹停酰螅悖幔簦锏日攵鑰燜儷尚渭庸さ謀棧泛附涌刂平辛搜芯�，为了辶x峽⒁惶鬃遠刂葡低�，舍撾探讨了焊接热过程憾d附硬問涔叵�。为产生稳定辶x系娜仍�，，将焊解檪R群退退克俁壬櫛Ａ�，以使竻矒砟焊絺虔力学过硥线性关辶x舷擔(dān)詈蠼泳蹕低騁胛露瘸”棧房刂葡低持�，并进行谅枌�(dǎo)柿慵某尚問笛欏ｅ義峽纖笱У模冢瑁幔睿紓伲酰恚椋睿紓郟保福莼諢魅耍牽停粒墜ひ戰(zhàn)辛隋澹牛罰埃櫻逗停櫻櫻常埃稿義喜牧系目燜儷尚窩繡場Ｕ紫低巢捎茫粒蠔停ǎ海埃不旌掀霰；て

本文編號：2651074