【摘要】：電弧增材制造技術(shù)是基于傳統(tǒng)的焊接技術(shù),主要的物理化學過程非常復雜,包括等離子弧燃燒、熔滴過渡、熔池流動和凝固以及復雜的熱循環(huán)、應(yīng)力應(yīng)變等。這些宏觀現(xiàn)象最終會影響微觀組織的演變過程、晶粒形貌,從而影響成形件力學性能。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件“控形”與“控性”并行制造的目標就必須探究電弧和熔池金屬輸運的內(nèi)部機理,本文著重通過多物理場耦合數(shù)值計算的方法來解釋其中的熱質(zhì)傳遞過程。本文通過合理的假設(shè),建立了GTAW電弧的三維模型,并將模型導入到Fluent軟件中進行求解。工藝條件為,焊接電流200A,焊接電壓19V,焊絲半徑1.6mm,送絲速度1.8m/min,焊接速度200mm/min,高純氬氣保護氣(15.5L/min)。計算結(jié)果表明,電弧溫度在18000K以上、電弧壓力最大為900Pa、電弧等離子體流速最大為220m/s,電勢差為9V(若考慮到鞘層區(qū)壓降的作用,進行修正之后為20V左右,并且在等離子平衡狀態(tài)下得到電磁力在X、Y正負方向上互相抵消)。高速攝像拍攝的電弧形貌與文中模擬的電弧輪廓大體相近,光譜法測得的電弧溫度場分布規(guī)律和數(shù)值大小也與模擬的溫度結(jié)果相同。在熔池金屬輸運模型中,采用與電弧模型相同的坐標系建立物理模型,且焊槍固定,金屬流動。通過簡化模型,將熔滴看成球狀,并且以固定頻率射入熔池的質(zhì)量源,從而實現(xiàn)了質(zhì)量輸運。模型中需充分考慮多種因素的影響,包括電磁力、浮力、電弧壓力等,還要考慮電弧的傳熱、熔滴的高溫以及金屬凝固過程的相變潛熱,其中電弧的作用主要通過UDS插值和CSF方法加載到熔池模型中。最后結(jié)合自主編程,加載了上述綜合的熱力邊界條件和氣液兩相的相互作用,得到了熔滴沖擊下的焊道形貌及焊道表面和熔池的溫度場分布(最大值為2200K)。最后通過紅外攝像拍攝焊道的溫度分布,得到的數(shù)值大小和模擬結(jié)果相同。本文基于實際模型,采用數(shù)值計算的手段,對電弧模型和金屬輸運模型中的傳熱傳質(zhì)的本質(zhì)進行求解分析,揭示了其中的多物理場耦合結(jié)果,并且從熱力學、流動力學、電磁學等多方面進行了機理研究,為今后的工藝優(yōu)化以及零件的控形控性研究打下了基礎(chǔ)。
【圖文】：

華 中 科 技 大 學 碩 士 學 位 論 文方面的缺陷，通過焊機起弧時候的觀察很容易發(fā)現(xiàn)，它具有很大的飛濺產(chǎn)保護作用也較差，焊接完成時，表面不平整度增加。在后續(xù)的透射和力學研究中發(fā)現(xiàn)，塊體中容易產(chǎn)生孔洞和殘余應(yīng)力，冷卻之后還需要進行很長處理才能消除殘余應(yīng)力。因此，有必要對基于 GTAW 的電弧增材制造技的機理研究，研究內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)的物理本質(zhì)，進而能夠指導實際的生產(chǎn)目前，電弧增材制造技術(shù)適用于多種材料，包括常見的鐵基、鋁基材料以式較難成行的鈦合金、高溫合金等材料[26-27]。針對常見的缺陷，，研究人員焊接工藝參數(shù)、熔積模式以及材料性能，從而改善夾雜、氣孔以及變形等缺1 為基于 GTAW 的電弧增材制造成形的典型零件。

中 科 技 大 學 碩 士 學 位 三維實體模型進行切片處理，通過軟件切片系統(tǒng)再出一些精度較高的大型零件，相比之前有較大進步謝菲爾德大學大學在這方面有所創(chuàng)新，將電弧增材削減材技術(shù)相結(jié)合，可以提高零件的表面性能。同，進行多角度的堆積，這可以增加該技術(shù)的適用性
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG444

【參考文獻】

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本文編號：2693403