發(fā)布時間：2019-07-11 10:58

【摘要】：用不同氣氛的混合氣體替代單一氣氛的保護氣體可以綜合不同氣氛下焊接的優(yōu)點，改善他們的不足。本文運用ANSYS軟件對不同氬-鐵蒸汽氣氛下和氬氦混合保護氣氛下的GTAW焊接電弧進行了數(shù)值模擬，同時運用ANSYS CFX模擬了GMAW焊接過程中的金屬蒸汽的質(zhì)量分布。 本文在磁流體動力學以及有限元理論的基礎上，建立了不同氣氛下焊接電弧的三維數(shù)學模型，提出電弧模型的基本假設，給出不同氣氛等離子體的熱力學與輸運性質(zhì)參數(shù)，確定合理的邊界條件，運用ANSYS的多物理場耦合功能依次順序耦合電弧模型的電場、磁場和流場，并進行迭代循環(huán)計算。 不同氬-鐵蒸汽氣氛下的GTAW焊接電弧數(shù)值模擬的結果表明：鐵蒸汽的加入能明顯降低焊接電弧的溫度；隨著鐵蒸汽含量的增加，氬-鐵蒸汽混合氣氛下的焊接電弧溫度場溫度明顯降低，且當鐵蒸汽的含量大于50%時，氬-鐵蒸汽混合氣氛下的焊接電弧的形態(tài)類似壓縮電弧的形態(tài)。 氬氦混合保護氣氛下的GTAW焊接電弧數(shù)值模擬的結果表明：純氬氣氛下的電弧呈鐘罩型，而純氦氣氛下的焊接電弧形態(tài)呈球型，純氦氣氛下的電弧電壓與溫度場的平均溫度都比純氬氣氛下的高；隨著氦氣含量的增加，氬氦混合氣氛下的電弧電壓先明顯增加接著緩慢增加，并且只有當氦氣的含量增加到75%以上時，混合氣氛的電弧才表現(xiàn)出氦弧的特性。 利用ANSYS CFX流體軟件模擬了GMAW焊接過程中的金屬蒸汽的質(zhì)量分布，結果表明：焊絲端頭的金屬蒸汽含量最大，并且沿著軸線方向逐漸降低。
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圖片說明： (c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe圖 3.5 不同氬-鐵蒸汽混合氣氛的電弧電流密度分布Fig 3.5 The current density distribution of different argon-iron vapour mixtures圖 3.6 表示不同氬-鐵蒸汽混合氣氛下等離子體的電弧電勢分布圖。比較圖 3.6 中a)、(b)、(c)、(d)可以發(fā)現(xiàn)，純氬氣氛下的電弧電壓為 102.172V，而當鐵蒸汽的含量0%時，混合氣氛的電弧電壓為 11.8019V，僅為純氬氣氛下電弧電壓的十分之一左右后隨著鐵蒸汽含量的繼續(xù)增加，混合氣氛的電弧電壓緩慢降低，但都與鐵蒸汽的含 10%時的電弧電壓相差不多。電弧弧柱區(qū)的溫度在 5000K-30000K 范圍內(nèi)，電弧陽和陰極區(qū)相對電弧中心都屬于低溫區(qū)，溫度在 2000K-3000K 范圍內(nèi)，從圖 3.4(e)可出，純氬在溫度小于 5000K 時的電導率幾乎為零，說明純氬在低溫的陰極區(qū)和陽極乎不電離，所以電弧電壓很大；而 10%鐵蒸汽在溫度為 3000K 時的電導率為 1.2499S當 10%的鐵蒸汽與純氬氣氛混合時，，盡管氬在低溫的陰極區(qū)和陽極區(qū)不電離，但鐵在低溫的陰極區(qū)和陽極區(qū)卻能很好的電離，所以混合氣氛的電弧電壓僅為 11.8019V
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圖片說明： 31(c) 50%Ar+50%Fe (d) 10%Ar+90%Fe圖 3.6 不同氬-鐵蒸汽混合氣氛的電弧電勢分布Fig 3.6 The electrical potential distribution of different argon-iron vapour mixtures.6.2 磁場模擬結果圖 3.7 表示不同氬-鐵蒸汽混合氣氛下等離子體的電弧磁感應強度分布圖。焊接時電弧區(qū)會形成等離子體，等離子體中的帶電粒子的定向運動形成電流，有電流通過生電場，而根據(jù)電磁理論，在產(chǎn)生電場的同時也會產(chǎn)生磁場，并且產(chǎn)生的磁場會對中的帶電粒子有一個電磁力的作用。電弧等離子體中的電流方向是從陽極到陰極，右手螺旋定則可以判定磁感應線的方向，圖 3.7 中磁感應線的方向與通過右手螺旋判定的磁感應線的方向相一致。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG444

【參考文獻】

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1 譚兵;劉紅偉;陳東高;明珠;王法科;康震宇;;基于SYSWELD的鋁合金角接接頭激光-MIG復合焊變形模擬[J];兵器材料科學與工程;2011年04期

2 李國棟;栗卓新;魏琪;王英杰;;氬-氦-二氧化碳混合氣體電弧行為及其對焊縫成形的影響[J];材料工程;2007年03期

3 李明利;劉占民;;氬-氦和氬-氮TIG常溫焊接厚壁紫銅的試驗分析[J];電焊機;2006年12期

4 周業(yè)基;焊接保護氣體選擇[J];廣船科技;2000年03期

5 李軍;王笑世;;鎢極氮弧焊電弧數(shù)值模擬[J];甘肅科技;2011年17期

6 張建春;王國榮;石永華;鐘繼光;;混合氣體在熔化極氣體保護焊中的應用[J];焊管;2006年03期

7 郭會民;趙仕哲;李萬萬;;熔化極混合氣體保護焊工藝研究與應用[J];火箭推進;2007年02期

8 朱正行,楊君仁,倪純珍;鎢極氦氣保護電弧焊電弧行為的研究[J];焊接學報;1984年01期

9 吳言高,李午申,鄒宏軍,馮靈芝;焊接數(shù)值模擬技術發(fā)展現(xiàn)狀[J];焊接學報;2002年03期

10 吳圣川;劉建華;;鋁合金激光-電弧復合焊的有限元數(shù)值模擬[J];航空制造技術;2005年12期

本文編號：2513107