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热丝TIG焊热丝温度分析及温度场模拟

作　者: 赵福海
导　师: 华学明
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 热丝TIG焊焊丝预热温度热丝温度分布焊接温度场数值模拟数学解析模型
分类号: TG422.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

热丝TIG焊(Hot-wire TIG Welding)正是在传统TIG焊的基础上发展起来的一种优质、高效、节能的焊接工艺,其基本原理就是在焊丝送进熔池之前,对焊丝进行加热使其达到一定的预热温度,最终实现高速高效的目的。本文搭建了热丝TIG焊焊接试验平台,对热丝TIG焊焊接工艺进行了一定的分析研究,实现了对数值模拟结果的验证。本文首先基于能量守恒定律,考虑了电阻热作用下焊丝的预热温度的数学解析模型,分析了各个影响因素(热丝电流、送丝速度以及焊丝的干伸长)对焊丝预热温度的影响规律,确定了三因素之间的匹配关系并得到以下结论:随着热丝电流的增大、送丝速度的减小、焊丝干伸长的增大,焊丝的预热温度会逐渐升高,并且在焊丝干伸长一定时,为了保证焊缝成形以及焊接质量,存在最大允许热丝电流和最小允许送丝速度,并得出了其表达式。而针对高速热丝TIG焊,焊丝端部的预热温度必须为焊丝材料的熔点,得到了此时送丝速度的表达式,并可得到以下结论:送丝速度随着热丝电流的增大而增大,随着焊丝干伸长的增大也增大。其次,基于傅里叶定律、牛顿冷却定律以及能量守恒定律等建立了考虑热损失的热丝温度分布的准稳态数学解析模型,也推导出了热丝温度分布的瞬态解析式。并验证了准稳态数学解析模型的计算结果与文献中的实测数据的基本吻合性,并讨论了焊丝直径、热丝电流、送丝速度以及焊丝干伸长等因素对热丝温度分布的影响规律。结果表明:此数学解析模型具有很高的准确性,可以用来进行热丝加热过程的分析以及焊接质量的控制;焊丝直径越小、热丝电流越大、送丝速度越小,焊丝干伸长部分上距给电点相同距离的温度越高;焊丝干伸长越大,焊丝干伸长部分距焊丝送入位置相同距离的温度越高。最后,根据热源叠加原理推导出了热丝TIG焊的焊接热源密度分布公式,建立了合适的有限元分析模型。同时利用ANSYS有限元分析软件自带的APDL参数化设计语言编写了热源加载和移动的子程序。在充分考虑对流、辐射、液体流动以及相变潜热等边界条件的情况下,对热丝TIG焊平板堆焊过程中瞬态温度场进行了计算和分析。将数值模拟的结果与实验结果进行对照,验证了所建模型的可靠性。并得到了焊缝中心线以及焊缝纵向截面上节点温度随时间的变化历程。热丝TIG焊温度场的数值模拟不但为焊接冶金分析、焊接应力应变分析等提供了前提,而且为焊接工艺优化设计和焊接过程的智能控制提供关键的基础数据和重要的理论依据。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-16
第一章绪论  16-37
  1.1 课题背景及研究意义  16-17
  1.2 国内外热丝TIG 焊方法的研究现状  17-28
    1.2.1 单丝热丝TIG 焊  18-23
      1.2.1.1 电阻加热热丝TIG 焊  19-21
      1.2.1.2 高频感应加热热丝TIG 焊  21-22
      1.2.1.3 电弧加热热丝TIG 焊  22-23
    1.2.2 双丝热丝TIG 焊  23-24
    1.2.3 窄间隙热丝TIG 焊  24-27
      1.2.3.1 单道摆动焊  25
      1.2.3.2 双道摆动焊  25
      1.2.3.3 单道不摆动焊  25-26
      1.2 3.4 旋转电弧式窄间隙热丝TIG 焊  26-27
    1.2.4 新型热丝TIG 焊（TOP-TIG）  27-28
    1.2.5 超高速热丝TIG 焊  28
  1.3 焊接温度场及热源模型研究现状  28-37
    1.3.1 焊接温度场解析模拟研究现状  28-30
    1.3.2 焊接温度场数值模拟的国内外研究现状  30-31
    1.3.3 热源模型研究现状  31-34
      1.3.3.1 Rosenthal 的解析模型  32-33
      1.3.3.2 高斯分布的热源模式  33
      1.3.3.3 双椭圆分布热源  33-34
    1.4 本论文的研究内容  34-37
第二章热丝TIG 焊焊接实验平台的建立  37-43
  2.1 热丝TIG 焊试验平台的整体结构  37-38
  2.2 有限元方法以及ANSYS 软件介绍  38-43
    2.2.1 有限元方法介绍  38-39
    2.2.2 ANSYS 软件的介绍  39-40
    2.2.3 APDL 语言  40-43
第三章热丝TIG 焊焊丝预热效果分析研究  43-55
  3.1 焊丝预热温度模型的建立  43-47
  3.2 焊丝预热温度的影响规律分析与讨论  47-53
    3.2.1 模型中材料热物理参数的选取以及两参数的确定  47-48
    3.2.2 热丝电流对焊丝预热温度的影响规律  48-49
    3.2.3 送丝速度对焊丝预热温度的影响规律  49-50
    3.2.4 干伸长对焊丝预热温度的影响规律  50-51
    3.2.5 热丝电流和送丝速度双因素对预热温度的影响规律  51-52
    3.2.6 预热温度为材料熔点时焊丝速度的影响规律  52-53
  3.3 本章小结  53-55
第四章热丝TIG 焊热丝温度分布的数学模型  55-75
  4.1 热丝温度分布数学模型的建立  55-57
  4.2 热丝TIG 焊的准稳态解析模型  57-58
  4.3 热丝准稳态温度分布数学模型的验证与讨论  58-64
    4.3.1 热丝温度分布数学模型的验证  58-60
      4.3.1.1 模型中材料物性参数的选取以及的确定  58-59
      4.3.1.2 热丝温度分布模型的验证  59-60
    4.3.2 热丝温度数学模型的讨论  60-64
      4.3.2.1 热丝电流对焊丝温度分布的影响规律  61
      4.3.2.2 热丝电流对焊丝温度分布的影响规律  61-62
      4.3.2.3 送丝速度对焊丝温度分布的影响规律  62-63
      4.3.2.4 干伸长对焊丝温度分布的影响规律  63-64
  4.4 热丝温度分布的瞬态解析模型  64-72
    4.4.1 固定坐标系下含内热源项和热损失的导热方程的解析解  65-69
    4.4.2 热丝TIG 焊焊丝温度分布的瞬态解析解  69-72
  4.5 本章小结  72-75
第五章热丝TIG 焊焊接温度场的数值模拟与验证  75-96
  5.1 控制方程及热丝TIG 焊热源模型  75-80
    5.1.1 控制方程  76-77
    5.1.2 热丝TIG 焊热源模型  77-80
  5.2 焊接热过程物理模型的建立  80-89
    5.2.1 几何模型的建立  80
    5.2.2 单元的选择  80-81
    5.2.3 网格划分  81-83
    5.2.4 热源的加载和移动  83-84
    5.2.5 边界条件的处理  84-86
    5.2.6 熔池内的液体流动和相变潜热的处理  86-87
    5.2.7 材料的热物理性能  87-89
  5.3 热丝TIG 焊温度场模拟结果与分析  89-93
    5.3.1 模拟过程参数的选取  89
    5.3.2 模拟结果与分析  89-93
      5.3.2.1 整体温度场的分布  90-91
      5.3.2.2 焊件上各节点的温度随时间的变化历程  91-93
  5.4 模拟结果的验证  93-94
  5.5 本章小结  94-96
第六章本文结论  96-98
参考文献  98-104
致谢  104-105
攻读硕士学位期间已发表或录用论文  105

热丝TIG焊热丝温度分析及温度场模拟

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