双缆式gmaw焊接温度场研究studyontemperaturefieldofdoublecablewiregmawwe
优质、高效、低成本是目前材料加工行业对于焊接技术提出的新要求，眼下提高焊接效率的手段主要有添加多丝、添加磁场、添加热源等等，但是这些手段对于焊接设备的提出了很高的要求，因此，双缆式GMAW焊这种成本低、设备简单、操作容易的高效焊接方法应运而生。本文对于Q235钢建立了基于FLUENT软件的双缆式GMAW焊温度场数学模型，综合考虑了相变潜热、材料热物理性能等问题，对在不同焊接参数下的双缆式GMAW焊接温度场进行模拟计算，比对不同焊接参数下温度场的演变过程，总结出了合适的焊接参数对于温度场的影响规律。最后通过科学的验证方式，用红外热像仪拍摄的温度场、焊缝的宏观形貌和模拟的温度场进行对比研究，证明了本文所建立的数学模型的可靠性。本文所建立的热源模型是在考虑了多种外界条件后建立的，在结合了后文的实验验证的结果后，所得到的双缆式GMAW焊热源模型具有普遍性和准确性，对于改变实际焊接过程的焊接参数，从而改善焊接质量具有指导作用，也为以后的数值模拟提供有效的焊接热源模型。关键词双缆式GMAW焊；数值模拟；温度场；FLUENT
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2双丝焊简介 2
1.2.1双丝焊的分类 2
1.2.2双丝焊的发展历程 3
1.2.3双缆式GMAW焊的优点 4
1.3双缆式GMAW焊数值模拟技术研究进展 5
第二章 双缆式GMAW焊熔池数值模拟理论基础 6
2.1数值方法简介 6
2.2 FLUENT软件包简介 6
2.3流体力学理论基础及传热学理论基础 7
2.4求解器及计算模型的选择 7
2.5数学模型的分析 8
2.6双缆式GMAW熔池计算模型的建立 9
2.6.1双缆式GMAW焊基本热源模型的选取 9
2.6.2热源模型的偏转 9
2.6.3熔滴热源的增加 11
2.6.4双缆式GMAW热源模型的建立 12
2.6.5几何模型的建立与网格划分 13
2.6.6设置材料性能 14
2.6.7初始条件和边界条件 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
本章小结 16
第三章 双缆式GMAW焊温度场模拟结果与分析 18
3.1不同焊接热输入下温度场分析 18
3.2不同双丝间距下焊接温度场分析 20
3.3不同焊接速度下焊接温度场分析 22
本章小结 25
第四章 实验验证 27
4.1红外热像仪拍摄温度场与模拟温度场对比 27
4.1.1红外热像仪测温 27
4.1.2模拟温度场与实际拍摄温度场对比 27
4.2焊缝宏观形貌与模拟温度场对比 29
本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
2015年全球钢产量达到了16.21亿吨，中国依旧在产钢大国中位列第一。根据统计结果显示，这些钢材的50%需要通过焊接技术加工成各种产品，这也就意味着将近8亿吨的钢材需要经过焊接处理，足以见得焊接制造在全球工业生产制造中的地位。焊接技术在我国是基础工业生产技术，虽然焊接的历史并不久远，但是在科学技术飞速发展的当今社会，传统的焊接技术已经不能满足日渐庞大的材料生产需求，压力迫使着焊接不断地向着高速化、高效化、高质化发展[13]。双缆式GMAW焊接技术就是在这样一种情况下出现的。在建造船体或压力容器的厚板、超厚板焊接结构时，传统方法大多采用大坡口多层多道焊，不仅耗时耗材，而且会存在残余应力以及焊件变形。所以为了提高焊接的单位生产量，改善焊接产品的质量，有两种手段：一是降低单位时间内填充金属量，二是提高填充金属的熔敷速度。而双缆式GMAW焊接技术就是提高单位时间内填充金属的熔敷速度一种高效焊接技术。
双缆式GMAW焊接中选用的焊丝是缆式焊丝（如图11），它的组成有一根中心丝和其他外围丝（辅丝），它的结构是中心丝放在中间，六根辅丝围绕中心丝紧密绞合[4]。经过试验与实践表明，双缆式GMAW焊接技术的熔化极为缆式焊丝，和传统的电弧焊技术相比，双缆式GMAW焊的焊接设备更加容易实现焊接过程的自动化；另一方面，这种焊接技术的生产成本比较低廉，产品质量好，能够适应市场的需求，因此受到众多厂家的青睐也就不足为奇了。
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图11 缆式焊丝实物图以及横截面图
将缆式焊丝与双丝GMAW焊接技术相结合，就组成了双缆式十四丝GMAW焊接，在这其中，取消了传统自动焊接技术中的使焊丝摆动的机械装置，而是依靠各分丝电弧多弧旋转耦合，使得电弧自动旋转，这样一来，两根焊丝就可以分别调节它们各自的焊接参数，大大提高了生产效率。
焊接电弧是一个很复杂的离子结构，简单的实验方法很难达到预期的测量效果，而且由于熔池液态金属受多种作用力的影响，动态行为复杂，增加了测试和研究的难度[57]，所以通过现代数值模拟技术，对双缆式十四丝GMAW电弧产热机理和焊接过程传热机制进行的研究就很有必要。
1.2双丝焊简介
1.2.1双丝焊的分类
双丝GMAW焊的发展目前还处于起步阶段，大致可以分为三种：双丝间接气体保护焊、Twin arc双丝焊、Tandem双丝焊[8]，如图12所示。
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图12 焊机原理简图
双丝间接气体保护焊，焊件与电源之间不相互连接，电源的正负两个电极和两个焊丝相连[9]。这种改变了焊接热循环的焊接方法，不但焊接出来的产品质量高，而且节能环保，具有广阔的应用潜力。
Twin Arc双丝焊用了两台一模一样的焊接电源，送丝设备也是完全相同，两根焊丝在同一个导电嘴里，且它们之间是有电流通过的[10]。这种焊接技术的设备非常简易，电弧自我调节能力强，焊接效率自然也就高。
上世纪末，德国的克鲁斯公司开发出了TANDEM双丝焊，这种焊接技术有一个特别制作的焊枪，里面有两个按特定角度摆放的焊丝，而且这两根焊丝所连接的电源各不相同[11]。焊接过程中的所有焊接参数都可以独立调节，这样电弧更加容易被控制，电弧工作时更加稳定，而且两个电弧之间相互不干扰，因此，这是一种稳定的高效焊接方法。
1.2.2双丝焊的发展历程
作为近年来出现的高效焊接方法，双丝焊因其卓越性越来越被人们关注。双丝埋弧焊是国内外研究多丝焊接技术的起点[12]。1948年，出现了最早的双丝埋弧焊，主要应用范围是压力容器或者核电站动力建设方面，这种焊接方法的优点是生产效率高。缺点是由于埋弧焊熔池无法观察,加上埋弧焊只能平焊的局限性，导致了双丝窄间隙埋弧焊的应用受到限制。?
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2双丝焊简介 2
1.2.1双丝焊的分类 2
1.2.2双丝焊的发展历程 3
1.2.3双缆式GMAW焊的优点 4
1.3双缆式GMAW焊数值模拟技术研究进展 5
第二章 双缆式GMAW焊熔池数值模拟理论基础 6
2.1数值方法简介 6
2.2 FLUENT软件包简介 6
2.3流体力学理论基础及传热学理论基础 7
2.4求解器及计算模型的选择 7
2.5数学模型的分析 8
2.6双缆式GMAW熔池计算模型的建立 9
2.6.1双缆式GMAW焊基本热源模型的选取 9
2.6.2热源模型的偏转 9
2.6.3熔滴热源的增加 11
2.6.4双缆式GMAW热源模型的建立 12
2.6.5几何模型的建立与网格划分 13
2.6.6设置材料性能 14
2.6.7初始条件和边界条件 15 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
本章小结 16
第三章 双缆式GMAW焊温度场模拟结果与分析 18
3.1不同焊接热输入下温度场分析 18
3.2不同双丝间距下焊接温度场分析 20
3.3不同焊接速度下焊接温度场分析 22
本章小结 25
第四章 实验验证 27
4.1红外热像仪拍摄温度场与模拟温度场对比 27
4.1.1红外热像仪测温 27
4.1.2模拟温度场与实际拍摄温度场对比 27
4.2焊缝宏观形貌与模拟温度场对比 29
本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
2015年全球钢产量达到了16.21亿吨，中国依旧在产钢大国中位列第一。根据统计结果显示，这些钢材的50%需要通过焊接技术加工成各种产品，这也就意味着将近8亿吨的钢材需要经过焊接处理，足以见得焊接制造在全球工业生产制造中的地位。焊接技术在我国是基础工业生产技术，虽然焊接的历史并不久远，但是在科学技术飞速发展的当今社会，传统的焊接技术已经不能满足日渐庞大的材料生产需求，压力迫使着焊接不断地向着高速化、高效化、高质化发展[13]。双缆式GMAW焊接技术就是在这样一种情况下出现的。在建造船体或压力容器的厚板、超厚板焊接结构时，传统方法大多采用大坡口多层多道焊，不仅耗时耗材，而且会存在残余应力以及焊件变形。所以为了提高焊接的单位生产量，改善焊接产品的质量，有两种手段：一是降低单位时间内填充金属量，二是提高填充金属的熔敷速度。而双缆式GMAW焊接技术就是提高单位时间内填充金属的熔敷速度一种高效焊接技术。
双缆式GMAW焊接中选用的焊丝是缆式焊丝（如图11），它的组成有一根中心丝和其他外围丝（辅丝），它的结构是中心丝放在中间，六根辅丝围绕中心丝紧密绞合[4]。经过试验与实践表明，双缆式GMAW焊接技术的熔化极为缆式焊丝，和传统的电弧焊技术相比，双缆式GMAW焊的焊接设备更加容易实现焊接过程的自动化；另一方面，这种焊接技术的生产成本比较低廉，产品质量好，能够适应市场的需求，因此受到众多厂家的青睐也就不足为奇了。
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图11 缆式焊丝实物图以及横截面图
将缆式焊丝与双丝GMAW焊接技术相结合，就组成了双缆式十四丝GMAW焊接，在这其中，取消了传统自动焊接技术中的使焊丝摆动的机械装置，而是依靠各分丝电弧多弧旋转耦合，使得电弧自动旋转，这样一来，两根焊丝就可以分别调节它们各自的焊接参数，大大提高了生产效率。
焊接电弧是一个很复杂的离子结构，简单的实验方法很难达到预期的测量效果，而且由于熔池液态金属受多种作用力的影响，动态行为复杂，增加了测试和研究的难度[57]，所以通过现代数值模拟技术，对双缆式十四丝GMAW电弧产热机理和焊接过程传热机制进行的研究就很有必要。
1.2双丝焊简介
1.2.1双丝焊的分类
双丝GMAW焊的发展目前还处于起步阶段，大致可以分为三种：双丝间接气体保护焊、Twin arc双丝焊、Tandem双丝焊[8]，如图12所示。
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图12 焊机原理简图
双丝间接气体保护焊，焊件与电源之间不相互连接，电源的正负两个电极和两个焊丝相连[9]。这种改变了焊接热循环的焊接方法，不但焊接出来的产品质量高，而且节能环保，具有广阔的应用潜力。
Twin Arc双丝焊用了两台一模一样的焊接电源，送丝设备也是完全相同，两根焊丝在同一个导电嘴里，且它们之间是有电流通过的[10]。这种焊接技术的设备非常简易，电弧自我调节能力强，焊接效率自然也就高。
上世纪末，德国的克鲁斯公司开发出了TANDEM双丝焊，这种焊接技术有一个特别制作的焊枪，里面有两个按特定角度摆放的焊丝，而且这两根焊丝所连接的电源各不相同[11]。焊接过程中的所有焊接参数都可以独立调节，这样电弧更加容易被控制，电弧工作时更加稳定，而且两个电弧之间相互不干扰，因此，这是一种稳定的高效焊接方法。
1.2.2双丝焊的发展历程
作为近年来出现的高效焊接方法，双丝焊因其卓越性越来越被人们关注。双丝埋弧焊是国内外研究多丝焊接技术的起点[12]。1948年，出现了最早的双丝埋弧焊，主要应用范围是压力容器或者核电站动力建设方面，这种焊接方法的优点是生产效率高。缺点是由于埋弧焊熔池无法观察,加上埋弧焊只能平焊的局限性，导致了双丝窄间隙埋弧焊的应用受到限制。?
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