fluent的旋转电弧焊数值模拟numericalsimulationofrotatingarcweldingbased
摘 要摘 要随着制造业的高速发展，焊接结构的发展逐渐呈现大型化、厚壁化， 窄间隙旋转电弧焊是一种高效的焊接方法，在大型船体结构和压力容器等厚板焊接方向普遍使用。旋转电弧焊时不仅电弧按一定方向运动，电弧自身也进行高速旋转，由于旋转电弧焊接过程较普通焊接方法较复杂，主要因为电弧旋转导致熔滴产生离心力对熔池产生不同的作用效果。其关联的焊接工艺参数较多。在数值模拟过程中，可清晰观察到各个参数及物理量变化对焊接过程的影响，能够利用模拟结果来指导实际焊接过程。由于模拟时易于对各个参数进行任意调节，与实际实验相比可减少人力物力的消耗。利用数值模拟技术对焊接温度场变化过程进行模拟已经越来越受材料科学界、力学界和工程界的共同关注。本文利用Fluent对旋转电弧焊的温度场进行模拟，采用高斯热源和旋转双椭球热源加载，获得旋转电弧运动轨迹，侧壁熔深及热循环曲线等模拟数值，通过实际的实验操作测得焊接过程温度变化情况，得出焊件的侧壁熔深，热循环曲线等数据，将模拟数值与实际结果进行对比，可得以证明模拟结果的准确程度。实验数据对比可得出，旋转电弧加载过程清晰，焊接热源模型采用有效合理，在模拟温度场图中可明显看出因为热量积累形成的心形熔池，模拟所得热循环曲线与实际测得曲线形状基本吻合，模拟侧壁熔深与实际差距模拟误差小于0.1mm，模拟结果较为准确。关键词数值模拟；旋转电弧焊；温度场模拟；摘 要 I
目录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 旋转电弧焊 1
1.2.2 温度场数值模拟和研究状况 3
1.3 焊接数值模拟技术 4
1.3.1 CFD简介 5
1.4 课题主要研究内容 5
第2章 旋转电弧焊数值模型的建立 7
2.1 旋转电弧焊实验装置和操作过程 7
2.2 fluent软件 9
2.3 旋转电弧焊接模型的建立 10
2.3.1 旋转电弧的热源模型 11
2.3.2 旋转电弧的运动轨迹模型 13
2.3.3 旋转电弧焊数值模型的建立 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
第3章 模拟结果及分析 19
3.1 旋转电弧温度场分析 19
3.2 侧壁熔深的变化过程 22
3.3 焊接热循环曲线 23
3.4 总结 25
结论 26
致 谢 27
参考文献 28
绪论
课题背景和研究意义
随着焊接技术逐步发展，高速旋转电弧焊在工业生产中的应用越来越受到重视。旋转电弧焊接可用来进行焊缝跟踪，焊缝接头性能好，效率高，得到的焊缝熔深浅，热影响区较小，所以越来越受到广泛关注。
由于MAG焊接工艺是焊丝本身做电极，受电弧融化和溶滴过渡的影响，使MAG焊熔池内部的流体流动情况比较复杂，因为焊丝的熔滴过渡方式随焊接参数的变化而变化，还有熔滴冲击力的存在，会使液态金属表面产生变形，所以对MAG焊熔池内部液态金属温度梯度变化研究较少。窄间隙MAG焊接是一种针对大厚板的熔化极高效活性气体保护焊。通常选取I形焊接坡口，在焊接时，电弧在破口中不断沿顺时针旋转，并沿坡口方向前进，能够对坡口侧壁充分加热，融化，所得焊接接头性能优异。因为旋转电弧焊焊接过程特性，使得它耗能低，经济性好，焊接方式多样，在工业上广泛应用。
在旋转电弧焊研究过程中，需要对各种焊接参数进行调整优化来获得性能更优的焊接接头，在正式焊接之前，使用数值模拟技术对焊接熔池进行定量研究，可解决实验手段直接观察不到焊接熔池及内部流动的困难的问题，还可以研究熔池中热流和流体流动对熔池的几何形状，温度梯度的变化影响及热源对热过程的作用机制，得到焊接热循环曲线，总结因性能参数变化而变化的焊缝成型规律和原因，能够减少因多次实验消耗的精力，这已成为近年来比较重要的研究方向。
国内外研究现状
旋转电弧焊
旋转电弧焊接是电极与工件之间形成电弧，焊接过程中电弧边旋转边移动的焊接过程（焊丝不旋转只用来填充金属），可用来进行焊缝跟踪，可使焊接质量良好。清华大学潘际銮院士早在80年代就开始对旋转电弧焊方向进行研究。
旋转电弧焊的焊缝组织致密，焊缝金属力学性能好，形状美观，是由于焊接时电弧自身高速旋转，对熔池中液态金属按一定方向进行搅拌，使金属晶粒细化提高了焊缝性能。同时能获得熔深浅。焊缝宽呈扁平状的焊缝形状.焊接电弧旋转是由于在焊接时焊丝沿偏心导电嘴送出，并不是常规直线送出，旋转马达齿轮带动焊丝偏离中轴旋转导致电弧跟着旋转。[1]下图11和图12是此种旋转方式的示意图。
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图11高速旋转电弧焊接方法示意图
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图12旋转电弧横向焊接示意图
温度场数值模拟和研究状况
焊接温度场的研究一直是焊接发展中的重要课题，尤其是对焊接冶金，应力应变等关系密切，但仅仅依靠实验来检测温度场，首先会有测量误差的存在和日渐增长的对焊接质量的需求无法满足，所以焊接温度场模拟逐渐成为大多数学者研究的课题。
许多焊接问题产生的根本原因就在于现今大多数熔焊热源比如电弧，激光热，火焰等，存在热量局部集中造成温度场不均匀，在电弧行走时焊件上下温度梯度较大，焊接温度场的准确计算是焊接质量和性能控制的重要前提。
在20世纪40年代，就开始了对于焊接热过程解析计算的研究。1947年美国的Rosenthal和前苏联的Rykalin提出了经典的焊接热过程计算理论RosenthalRykalin公式理论，提出了焊接热源模型的初始形态，建立了解析法求解焊接温度场，但是这个方法有较多缺陷，因为采用了集中热源以及加热时热物理性能参数不变等理想化假设推导得出，与焊接实际热过程差异较大。致使计算热源附近温度计算造成很大偏差，而这恰恰是我们所关心的部位，因为确定熔化区域的尺寸形状和相变点以上的加热范围都是十分有价值的。
电子计算机技术的发展将数值模拟技术带入了一个新的时期，数值分析方法可以解决焊接过程中许多复杂的物理质量动量能量问题，推动了对焊接热过程在数值模拟方向的研究。如今以Fluent为代表的CFD软件在被越来越多的焊接工作者用于科研工作中。
现阶段对焊接课题研究多采用的是“理论—数值模拟—生产”方法，与传统的“理论—试验—生产”研究方法相比较而言，可降低经济成本，减少人力物力的损耗，而且模拟数据更加精准，可以总结出某些实验无法得到的规律。[2]
近年来随着焊接技术的发展，焊接自动化技术也飞速发展，焊接技术种类也越来越多，关于焊接热过程数值模拟也越来越受到重视。1998年武传松和孙俊生等分析了MIG/MAG焊接熔池表面变形对电弧热流分布模式的影响；计算熔池表面变形时考虑溶滴冲击力的作用；确定了溶滴含量在变形熔池内的分布区域；但是模型并未熔透，并处于准稳态。1999年Fan，Kovaceive分析了瞬态二维模型，研究溶滴的形成，脱离和对熔池的冲击，对填充金属的影响加以模拟，但未考虑溶滴过渡带入熔池的晗量，模型并未熔透； 1999年Obring，Lugt研究了三维瞬态模型，通过考虑溶滴对熔池的冲击，对填充金属的影响加以模拟，模型未熔透。1999.2002年孙俊生，武传松在考虑熔池表面较大变形情况下，溶滴的冲击力，溶滴带入熔池的晗量及其分布，熔池流场，温度场与焊缝余高的相互作用相互影响，建立模型，但模型未熔透仍处于准稳态；2004年清华大学的吴甦模拟和验证了一个新的旋转曲面高斯体热源模型；2005年江苏科技大学的王加友，国宏斌，杨峰研究开发了新型窄间隙MAG焊接系统，采用旋转电机直接带动导电杆和导电嘴进行转动使电弧旋转；2006年武汉理工大学的谢元峰利用ANSYS以平板堆焊为实例模拟了三维温度场和应力的动态分析； 2012年长江大学的张锦洲对16MnR窄间隙焊接模拟分析了其焊后残余应力并总结了残余应力分布规律，对压力容器制造生产提供帮助；2013年大连理工大学的耿璞的硕士论文发表了对CCASS母材结构建模与超声检测数值模拟研究；2013年哈尔滨工业大学的邰磊对厚板窄间隙激光MIG复合焊接头进行研制，验证了喷嘴凸台结构对焊缝质量和焊接过程的影响，清华大学的屈岳波等对窄间隙埋弧焊接头熔合区弱化进行了研究，进一步的有限元分析表明:由于硬度分布不均导致应力集中，致使弱化的熔合区在试验中产生二次裂纹；2015年江苏科技大学的黎文航等对旋转电弧窄间隙焊温度场和侧壁熔深进行了数值模拟，根据热源等效和旋转电弧热源分布特点，提出了一种类似马鞍形圆环的等效热源，提高了计算效率；2016年哈尔滨焊接研究所的张磊等通过温度场数值模拟分析窄间隙埋弧焊过热区组织演化针对双丝焊前后焊丝的不同作用，改变焊接工艺，可以获得更小的坡口侧壁过热粗晶区，并且后层焊道对前层焊道的热处理效果更好。
目录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 课题背景和研究意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 旋转电弧焊 1
1.2.2 温度场数值模拟和研究状况 3
1.3 焊接数值模拟技术 4
1.3.1 CFD简介 5
1.4 课题主要研究内容 5
第2章 旋转电弧焊数值模型的建立 7
2.1 旋转电弧焊实验装置和操作过程 7
2.2 fluent软件 9
2.3 旋转电弧焊接模型的建立 10
2.3.1 旋转电弧的热源模型 11
2.3.2 旋转电弧的运动轨迹模型 13
2.3.3 旋转电弧焊数值模型的建立 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
第3章 模拟结果及分析 19
3.1 旋转电弧温度场分析 19
3.2 侧壁熔深的变化过程 22
3.3 焊接热循环曲线 23
3.4 总结 25
结论 26
致 谢 27
参考文献 28
绪论
课题背景和研究意义
随着焊接技术逐步发展，高速旋转电弧焊在工业生产中的应用越来越受到重视。旋转电弧焊接可用来进行焊缝跟踪，焊缝接头性能好，效率高，得到的焊缝熔深浅，热影响区较小，所以越来越受到广泛关注。
由于MAG焊接工艺是焊丝本身做电极，受电弧融化和溶滴过渡的影响，使MAG焊熔池内部的流体流动情况比较复杂，因为焊丝的熔滴过渡方式随焊接参数的变化而变化，还有熔滴冲击力的存在，会使液态金属表面产生变形，所以对MAG焊熔池内部液态金属温度梯度变化研究较少。窄间隙MAG焊接是一种针对大厚板的熔化极高效活性气体保护焊。通常选取I形焊接坡口，在焊接时，电弧在破口中不断沿顺时针旋转，并沿坡口方向前进，能够对坡口侧壁充分加热，融化，所得焊接接头性能优异。因为旋转电弧焊焊接过程特性，使得它耗能低，经济性好，焊接方式多样，在工业上广泛应用。
在旋转电弧焊研究过程中，需要对各种焊接参数进行调整优化来获得性能更优的焊接接头，在正式焊接之前，使用数值模拟技术对焊接熔池进行定量研究，可解决实验手段直接观察不到焊接熔池及内部流动的困难的问题，还可以研究熔池中热流和流体流动对熔池的几何形状，温度梯度的变化影响及热源对热过程的作用机制，得到焊接热循环曲线，总结因性能参数变化而变化的焊缝成型规律和原因，能够减少因多次实验消耗的精力，这已成为近年来比较重要的研究方向。
国内外研究现状
旋转电弧焊
旋转电弧焊接是电极与工件之间形成电弧，焊接过程中电弧边旋转边移动的焊接过程（焊丝不旋转只用来填充金属），可用来进行焊缝跟踪，可使焊接质量良好。清华大学潘际銮院士早在80年代就开始对旋转电弧焊方向进行研究。
旋转电弧焊的焊缝组织致密，焊缝金属力学性能好，形状美观，是由于焊接时电弧自身高速旋转，对熔池中液态金属按一定方向进行搅拌，使金属晶粒细化提高了焊缝性能。同时能获得熔深浅。焊缝宽呈扁平状的焊缝形状.焊接电弧旋转是由于在焊接时焊丝沿偏心导电嘴送出，并不是常规直线送出，旋转马达齿轮带动焊丝偏离中轴旋转导致电弧跟着旋转。[1]下图11和图12是此种旋转方式的示意图。
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图11高速旋转电弧焊接方法示意图
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图12旋转电弧横向焊接示意图
温度场数值模拟和研究状况
焊接温度场的研究一直是焊接发展中的重要课题，尤其是对焊接冶金，应力应变等关系密切，但仅仅依靠实验来检测温度场，首先会有测量误差的存在和日渐增长的对焊接质量的需求无法满足，所以焊接温度场模拟逐渐成为大多数学者研究的课题。
许多焊接问题产生的根本原因就在于现今大多数熔焊热源比如电弧，激光热，火焰等，存在热量局部集中造成温度场不均匀，在电弧行走时焊件上下温度梯度较大，焊接温度场的准确计算是焊接质量和性能控制的重要前提。
在20世纪40年代，就开始了对于焊接热过程解析计算的研究。1947年美国的Rosenthal和前苏联的Rykalin提出了经典的焊接热过程计算理论RosenthalRykalin公式理论，提出了焊接热源模型的初始形态，建立了解析法求解焊接温度场，但是这个方法有较多缺陷，因为采用了集中热源以及加热时热物理性能参数不变等理想化假设推导得出，与焊接实际热过程差异较大。致使计算热源附近温度计算造成很大偏差，而这恰恰是我们所关心的部位，因为确定熔化区域的尺寸形状和相变点以上的加热范围都是十分有价值的。
电子计算机技术的发展将数值模拟技术带入了一个新的时期，数值分析方法可以解决焊接过程中许多复杂的物理质量动量能量问题，推动了对焊接热过程在数值模拟方向的研究。如今以Fluent为代表的CFD软件在被越来越多的焊接工作者用于科研工作中。
现阶段对焊接课题研究多采用的是“理论—数值模拟—生产”方法，与传统的“理论—试验—生产”研究方法相比较而言，可降低经济成本，减少人力物力的损耗，而且模拟数据更加精准，可以总结出某些实验无法得到的规律。[2]
近年来随着焊接技术的发展，焊接自动化技术也飞速发展，焊接技术种类也越来越多，关于焊接热过程数值模拟也越来越受到重视。1998年武传松和孙俊生等分析了MIG/MAG焊接熔池表面变形对电弧热流分布模式的影响；计算熔池表面变形时考虑溶滴冲击力的作用；确定了溶滴含量在变形熔池内的分布区域；但是模型并未熔透，并处于准稳态。1999年Fan，Kovaceive分析了瞬态二维模型，研究溶滴的形成，脱离和对熔池的冲击，对填充金属的影响加以模拟，但未考虑溶滴过渡带入熔池的晗量，模型并未熔透； 1999年Obring，Lugt研究了三维瞬态模型，通过考虑溶滴对熔池的冲击，对填充金属的影响加以模拟，模型未熔透。1999.2002年孙俊生，武传松在考虑熔池表面较大变形情况下，溶滴的冲击力，溶滴带入熔池的晗量及其分布，熔池流场，温度场与焊缝余高的相互作用相互影响，建立模型，但模型未熔透仍处于准稳态；2004年清华大学的吴甦模拟和验证了一个新的旋转曲面高斯体热源模型；2005年江苏科技大学的王加友，国宏斌，杨峰研究开发了新型窄间隙MAG焊接系统，采用旋转电机直接带动导电杆和导电嘴进行转动使电弧旋转；2006年武汉理工大学的谢元峰利用ANSYS以平板堆焊为实例模拟了三维温度场和应力的动态分析； 2012年长江大学的张锦洲对16MnR窄间隙焊接模拟分析了其焊后残余应力并总结了残余应力分布规律，对压力容器制造生产提供帮助；2013年大连理工大学的耿璞的硕士论文发表了对CCASS母材结构建模与超声检测数值模拟研究；2013年哈尔滨工业大学的邰磊对厚板窄间隙激光MIG复合焊接头进行研制，验证了喷嘴凸台结构对焊缝质量和焊接过程的影响，清华大学的屈岳波等对窄间隙埋弧焊接头熔合区弱化进行了研究，进一步的有限元分析表明:由于硬度分布不均导致应力集中，致使弱化的熔合区在试验中产生二次裂纹；2015年江苏科技大学的黎文航等对旋转电弧窄间隙焊温度场和侧壁熔深进行了数值模拟，根据热源等效和旋转电弧热源分布特点，提出了一种类似马鞍形圆环的等效热源，提高了计算效率；2016年哈尔滨焊接研究所的张磊等通过温度场数值模拟分析窄间隙埋弧焊过热区组织演化针对双丝焊前后焊丝的不同作用，改变焊接工艺，可以获得更小的坡口侧壁过热粗晶区，并且后层焊道对前层焊道的热处理效果更好。
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