双缆式十四丝熔化极气保焊电弧形态研究(附件)【字数：12150】
熔化极气体保护焊(GMAW)具有高效、生产成本低、自动化程度较高等优点，是现阶段应用较广泛的一类电弧焊方法。本文基于流体力学软件FLUENT，开展GMAW双丝焊焊接过程的数值分析研究，其中主要针对焊接过程中电弧行为进行数值研究，通过改变焊接电流和双丝间距，深入阐释了不同焊接参数对焊接过程的影响机理，以期为实际生产焊接工艺的制定提供理论指导与参考。 根据流体力学中的质量连续、动量守恒、能量守恒方程，建立二维的单丝和双丝电弧模型。双丝焊中，研究了焊接电流、双丝间距情况对电弧行为的影响规律。经数值模拟研究发现，当焊接电流增大时，GMAW双丝焊电弧温度和工件表面压强峰值随之增大，电弧偏离焊丝中心轴线的角度也会增大，电弧形态由束状向球状变化。当双丝间距增大时，电弧形态由单电弧向双电弧转变，压强基本上是均匀分布的；当间距达到一定大小时，基本保持不变，而工件表面压强峰值随之先减小后增大。随着电流的增大，GMAW单丝焊电弧温度及压强变化梯度逐渐增加，电弧形状由圆柱状逐渐向两边延伸；其温度及压强变化梯度相对GMAW双丝焊较大，电弧形态均是相对轴线对称。关键字GMAW,数值模拟，焊接电弧，双丝焊
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 GMAW国内外研究现状及发展趋势 2
1.3 GMAW焊接技术 3
1.3.1 缆式焊丝GMAW国内外研究现状 4
1.4 双丝焊技术 5
1.5 研究内容 7
第二章 FLUENT软件及电弧物理模型建立分析 8
2.1 FLUENT软件和UDS概述 8
2.1.1 FLUENT软件 8
2.1.2 UDS介绍 10
2.2 控制方程、电弧模型建立及网格划分 11
2.2.1 控制方程 11
2.2.2 电弧模型建立 12
2.2.3 电弧模型的网格划分 13
2.3 求解计算及电弧模型边界条件 14
2.3.2 电弧模型边界条件 16
2.4 本章小结 18
第三章 GMAW焊接数值模拟分析 19
3.1 电弧数值分析 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.2 GMAW单丝焊同双丝焊电弧模拟对比 19
3.2.1 焊接电流的影响 19
3.2.2 双丝间距的影响 24
3.3 电弧模拟对比结果 26
3.4 本章小结 27
结论 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 课题背景
焊接被称为工业的“裁缝”，是现代工业生产和金属加工中最重要的方法之一，焊接和金属压力加工、切削加工、热处理、铸造等其他金属加工方法一起构成的金属加工技术是现代一切制造工业。焊接作为极其重要的关键技术之一，已经在众多工业领域中得到了广泛的应用，尤其在制造业中应用最为广泛，特别是航空航天、汽车、电力及海洋工程等结构件制造以及微电子、传感器等工业领域。随着焊接技术的不断发展，更多的高新焊接技术将应用制造业中，如在电子信息、船舶、海洋平台、能源等领域，从而适应当今发展需求，从而推动现在制造业的发展。
随着科技的发展，人们对焊接技术的要求不仅仅停留在原来的高度，对焊接质量及效率提出了更高的要求。对于在海洋工程、压力容器、油气管道及核电行业设备中的大型化、重型化，厚板、超厚板焊接结构，传统生产方法大多采用大坡口多层多道熔化极气保焊（GMAWGas metal arc welding）或埋弧焊，然而这些焊接熔敷金属量大，生产效率低、成本高，已经难以应付新型材料和满足日益增长的生产效率的要求[1]。因此需要新的焊接方法或改进原有的焊接工艺方法来满足不断增长的生产效率要求，从而实现焊接高效化。
从焊条电弧焊到气体保护焊是一大进步，气体保护焊出现以来，就以高效、节能、操作简单、便于实现机械化和自动化等特点，在实际生产中得到了更为广泛的应用。双丝焊接具有焊接速度高、熔敷系数高、焊接质量好等优点，可以提高焊接效率，因此双丝焊接使用范围越来越广。目前，高效电弧焊工艺如TANDEM、DEGMAW(double electrodegas metal arc welding)LINFAST焊、TIME (transferred ionized molten energy)焊等，主要通过多丝或特殊保护气体、复合热源、添加磁场等方法提高其熔敷率，但由于这些电弧焊工艺设备复杂，成本较高，因此研制低成本、设备简单、易操作的高效电弧焊工艺具有重要意义[2]。本研究中采用的新型七丝缆式焊丝采用7根药芯或实芯焊丝旋转绞合而成，其中一根焊丝作为中心丝位于中间，称其为中心丝，其余6根焊丝围绕中心丝绞合，称其为外围丝（见图1.1）。缆式焊丝的GMAW焊接研究表明这种缆式焊丝的熔化极气保焊具有焊丝熔化系数越大、焊接熔敷速度高、焊接热输入量少、焊接时电弧自主旋转（见图1.2）等独特优点。将七丝缆式焊丝应用于双丝GMAW，构成双缆式十四丝熔化极气保焊，不需要外加机械式焊丝摆动或电磁驱动装置，电弧自主旋转，增加熔池流动性，两焊丝参数可以独立调节，熔敷效率高，无疑本课题综合了双丝焊和缆式焊丝气保焊的两种高效焊接技术的优点，可以实现焊接生产加工的高效和低成本，具有广阔的工业应用前景[3]。
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图1.1 七丝缆式焊丝截面示意图 图1.2 七丝缆式焊丝旋转示意图
1.2 GMAW国内外研究现状及发展趋势
熔化极气保焊具有焊接效率高、焊接质量好、生产成本低，连续给送焊丝不仅可减少辅助时间，而且可提高焊材的利用率等优点。由于气体保护焊大多采用直径较细的焊丝，则在相同的焊接电流下，电流密度大大提高，焊丝的熔化率随之增大。
其次是易于实现焊接过程的自动化，因气体保护焊是一种明弧焊，切焊丝由送丝机单独给送，只要添置机头位移机构或焊件位移机构，即可进行自动焊接。焊接工艺适应性强，即可焊接薄板，亦可焊接厚板。选用适当的焊接参数可完成任何空间位置的焊接。焊接表面无熔渣覆盖，不但省略了多道焊缝去熔渣工序，减少了焊缝中产生夹渣的危险，而且为厚壁窄间隙或窄坡口焊接创造了有利的条件。熔化极气保焊具备以上优点，从而成为现代焊接制造业中应用最广的焊接工艺。我国占25%，美国、德国、俄罗斯等先进工业国家在55%~60%以上，日本该比例达78%[3]。熔化极气体保护焊广泛应用于轨道交通航空航天、航空航天、锅炉压力容器、船舶、海洋结构、核电设备和桥梁建筑等工业领域[4]。
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第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 GMAW国内外研究现状及发展趋势 2
1.3 GMAW焊接技术 3
1.3.1 缆式焊丝GMAW国内外研究现状 4
1.4 双丝焊技术 5
1.5 研究内容 7
第二章 FLUENT软件及电弧物理模型建立分析 8
2.1 FLUENT软件和UDS概述 8
2.1.1 FLUENT软件 8
2.1.2 UDS介绍 10
2.2 控制方程、电弧模型建立及网格划分 11
2.2.1 控制方程 11
2.2.2 电弧模型建立 12
2.2.3 电弧模型的网格划分 13
2.3 求解计算及电弧模型边界条件 14
2.3.2 电弧模型边界条件 16
2.4 本章小结 18
第三章 GMAW焊接数值模拟分析 19
3.1 电弧数值分析 19
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
3.2 GMAW单丝焊同双丝焊电弧模拟对比 19
3.2.1 焊接电流的影响 19
3.2.2 双丝间距的影响 24
3.3 电弧模拟对比结果 26
3.4 本章小结 27
结论 28
致谢 29
参考文献 30
第一章 绪论
1.1 课题背景
焊接被称为工业的“裁缝”，是现代工业生产和金属加工中最重要的方法之一，焊接和金属压力加工、切削加工、热处理、铸造等其他金属加工方法一起构成的金属加工技术是现代一切制造工业。焊接作为极其重要的关键技术之一，已经在众多工业领域中得到了广泛的应用，尤其在制造业中应用最为广泛，特别是航空航天、汽车、电力及海洋工程等结构件制造以及微电子、传感器等工业领域。随着焊接技术的不断发展，更多的高新焊接技术将应用制造业中，如在电子信息、船舶、海洋平台、能源等领域，从而适应当今发展需求，从而推动现在制造业的发展。
随着科技的发展，人们对焊接技术的要求不仅仅停留在原来的高度，对焊接质量及效率提出了更高的要求。对于在海洋工程、压力容器、油气管道及核电行业设备中的大型化、重型化，厚板、超厚板焊接结构，传统生产方法大多采用大坡口多层多道熔化极气保焊（GMAWGas metal arc welding）或埋弧焊，然而这些焊接熔敷金属量大，生产效率低、成本高，已经难以应付新型材料和满足日益增长的生产效率的要求[1]。因此需要新的焊接方法或改进原有的焊接工艺方法来满足不断增长的生产效率要求，从而实现焊接高效化。
从焊条电弧焊到气体保护焊是一大进步，气体保护焊出现以来，就以高效、节能、操作简单、便于实现机械化和自动化等特点，在实际生产中得到了更为广泛的应用。双丝焊接具有焊接速度高、熔敷系数高、焊接质量好等优点，可以提高焊接效率，因此双丝焊接使用范围越来越广。目前，高效电弧焊工艺如TANDEM、DEGMAW(double electrodegas metal arc welding)LINFAST焊、TIME (transferred ionized molten energy)焊等，主要通过多丝或特殊保护气体、复合热源、添加磁场等方法提高其熔敷率，但由于这些电弧焊工艺设备复杂，成本较高，因此研制低成本、设备简单、易操作的高效电弧焊工艺具有重要意义[2]。本研究中采用的新型七丝缆式焊丝采用7根药芯或实芯焊丝旋转绞合而成，其中一根焊丝作为中心丝位于中间，称其为中心丝，其余6根焊丝围绕中心丝绞合，称其为外围丝（见图1.1）。缆式焊丝的GMAW焊接研究表明这种缆式焊丝的熔化极气保焊具有焊丝熔化系数越大、焊接熔敷速度高、焊接热输入量少、焊接时电弧自主旋转（见图1.2）等独特优点。将七丝缆式焊丝应用于双丝GMAW，构成双缆式十四丝熔化极气保焊，不需要外加机械式焊丝摆动或电磁驱动装置，电弧自主旋转，增加熔池流动性，两焊丝参数可以独立调节，熔敷效率高，无疑本课题综合了双丝焊和缆式焊丝气保焊的两种高效焊接技术的优点，可以实现焊接生产加工的高效和低成本，具有广阔的工业应用前景[3]。
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图1.1 七丝缆式焊丝截面示意图 图1.2 七丝缆式焊丝旋转示意图
1.2 GMAW国内外研究现状及发展趋势
熔化极气保焊具有焊接效率高、焊接质量好、生产成本低，连续给送焊丝不仅可减少辅助时间，而且可提高焊材的利用率等优点。由于气体保护焊大多采用直径较细的焊丝，则在相同的焊接电流下，电流密度大大提高，焊丝的熔化率随之增大。
其次是易于实现焊接过程的自动化，因气体保护焊是一种明弧焊，切焊丝由送丝机单独给送，只要添置机头位移机构或焊件位移机构，即可进行自动焊接。焊接工艺适应性强，即可焊接薄板，亦可焊接厚板。选用适当的焊接参数可完成任何空间位置的焊接。焊接表面无熔渣覆盖，不但省略了多道焊缝去熔渣工序，减少了焊缝中产生夹渣的危险，而且为厚壁窄间隙或窄坡口焊接创造了有利的条件。熔化极气保焊具备以上优点，从而成为现代焊接制造业中应用最广的焊接工艺。我国占25%，美国、德国、俄罗斯等先进工业国家在55%~60%以上，日本该比例达78%[3]。熔化极气体保护焊广泛应用于轨道交通航空航天、航空航天、锅炉压力容器、船舶、海洋结构、核电设备和桥梁建筑等工业领域[4]。
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