英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

三丝埋弧焊过程中的电弧和熔池行为的相互作用

三维传热与流体流动数值模型来理解埋弧焊接过程中的温度分布和

熔池现象。该模型解决了质量、动量守恒方程，以及能量随着流体的变化方式。采用流体体积法来跟踪自由表面的形状。在一个给定的焊接工艺条件下，将中间和尾部电极梯形交变电流波形显示的熔池深度与正弦波相比。在一定的焊接条件下，认为在目前的工作范围内，焊缝的宽度深深的受到前弧区，弧柱区的影响。计算焊缝熔宽和熔深最终应该与实验结果基本一致。

1. 引言

在任何焊接过程中，温度分布和流体流动决定最终的焊缝尺寸，微观结构和机械性能。多个弧的存在和相关的电弧相互作用和熔融金属沉积，增加了理解在三丝埋弧焊工艺的传热和流体流动的复杂性。此外，分析所述熔池温度分布和速度场是非常困难的实验。但是，通过数值流程模型有助于理解相同问题而且更为高效。

虽然显著努力已经提出了解沉淀焊接过程是怎样的熔化极气体保护焊（GMAW），以及三丝埋弧焊研究在熔池过程的线性变化。帕塔克和达塔[1]提出了一种基于有限元传导传热模型分析了单丝埋弧焊工艺。高斯分布表面热源被用来模拟从焊接电弧的热传递。填充金属沉积建模不完全。Mahapatra等。 [2]报告了类似的模型中使用的元件灭活和激活的方法来模拟加入的填充材料。Goldak等人。[ 3 ]介绍了一种双椭球体热源模型，计算了焊接过程中焊接熔池内的热传导，传热分析。基兰等人。[ 4 ]进行了三维传热分析的两线串联看见（SAW-T）过程。用一种新颖的双独立的双椭球体的体积热源是用来解释从前缘和后弧的热传递。然而，热源的尺寸是由焊缝尺寸决定。基兰等人。[ 5 ]提出了一种方法来估计基于原接头几何尺寸和双椭球体积热源焊接SAW-T的工艺。尽管如此，上面所描述的传导传热基于焊池模拟往往不能考虑到对流传输的热量，这点可能很重要，尤其是在焊接过程中形成的巨大熔池的时候。

Cho等人。[ 6 ]建立了三维传热和流体流的单丝埋弧焊动模型。分析了火炬角对流体的流动和对流传热的影响。据报道，不同的火炬角度和有效半径的电弧等离子可以引导流体的焊缝形状。流体体积（VOF）技术被用来计算出准确的形状和自由流体表面的运动。Kiran等。[ 7 ]研究SAW-T过程的电弧行为和建立了一种电弧相互作用的物理模型来预计前弧和尾随电弧的中心位移。此外，部分回归模型用于估计有效半径的前弧和尾弧的焊接电流以及电压和电弧中心位移的函数。此信息被进一步用于传热和SAW-T过程[ 8 ]流体流动分析。

综上所述，虽然数值研究可有效的去理解单丝埋弧焊的热传递过程和流体流动，到目前为止，还没有尝试去解决在三线埋弧焊工艺中类似的问题。在这里，作者利用CFD软件来计算三丝埋弧焊的三维瞬态热传导和流体流动分析。三个独立的高斯分布的表面热源是用来解释三个焊接电弧的热传输。建立一个物理模型用于实现电弧的相互作用和熔滴过渡方向的三丝埋弧焊过程中的数值模拟。计算的焊接熔池尺寸与验证相应的实验结果。

1. 实验研究

图1所述的V型焊缝和目前的工作中使用的电极的方向。该低合金高强度钢板的尺寸为1000times;300times;25.4毫米（厚度），槽角和深度为（500，///8.4毫米）和（500，10.0 MM），分别在板的顶部和底部。头部，中部和尾部电极直径和倾斜角度分别为（3.15，3.15，4.0毫米），（150，50，180）。表1给出了三丝埋弧焊的使用焊接条件。数据中（IL，VL），（IM，VM），（，VT）和V在表1中指前弧电流和电压，中间弧电流和电压，尾随的电弧电流和电压和各自的焊接速度。前弧端连接到直流电极的正极（DCEP），中间和尾部的电极连接到交流电源。中间和后弧相聚900mm。流量和电极组合符合AWS a5.23规范。通过LEM电流传感器实时监控焊接电流的前端和中部的瞬时电流波形。使用双电压拾取点，监测的前部和中间弧的瞬时电压波形以及相应的电源端和另一个在该焊接机的焊枪的瞬时电压波形。采样率记录电流和电压瞬变设置为2千赫。注意由于第三个电流传感器导致的电弧电流瞬时值无法测量得情况。电弧图像在1千赫的采样率使用CCD相机记录。在我们以前的工作中，在多丝埋弧焊过程中捕捉到的电弧图像的程序是可用的[ 7 ]。

1. 三丝埋弧焊过程中电弧相互作用的物理模型

在我们以前的研究中，双丝埋弧焊的电弧相互作用的物理模型扩展为三丝埋弧焊的过程。因此，物理模型推导的详细过程是不重复的。图2、3描绘了前弧遵循程序导出电弧相互作用和物理模型计算圆弧的中心位移。实验中得到的中间和后弧中心的位移是类似的前弧的电弧。因此并没有解释同样的问题。最初，前部，中间的和尾随的弧被假定为三个独立的弧，没有任何电弧相互作用。图2（a）表示出了相应的圆弧方向。轴RR1和RT分别为领先的电极和电弧轴线。同样，轴（1，OQ）和（YY1，YF）分别是中尾电极和电弧轴线。

基于该文献的电极角度和在目前的工作中考虑的焊接条件没有观察到[7,9]显著弧倾向。因此，所有的弧被假定为垂直于底板（如示于图2的（b）和（c））。 图。图2（b）和（c）还描绘了分别由中间和后弧施加，在引导圆弧中心的电磁场的方向。这类问题已经在别处详细说明过[7]，因此不在复述。

当前部，中间和尾部有弧长，分别为LM和LT，接近距离DLM和DLT，称为电极间的距离，它们产生的磁场产将产生洛仑兹力。

表1

Case	Waveform	Top groove						Bottom groove
		IL (A)	IM (A)	IT (A)	v (mm/s)	HI (kJ/mm)		IL (A)	IM (A)	IT (A)	v (mm/s)	HI (kJ/mm)
1	Trapezoidal	1000	900	800	30.0	3.08		1000	900	800	25.7	3.59
2	Sine	1200	900	800	36.4	2.71		1200	900	800	29.4	3.36
3	Trapezoidal	1200	900	800	36.4	2.71		1200	900	800	29.4	3.36

图3描述了从中部、后部弧磁场中作用于弧的力的作用力，其计算公式为：

其次，前部的圆弧中心的位移（XL）计算采用bachelis [ 10 ]解决电弧偏吹的问题。焊接电弧被设为弹簧如图3所示。领先的圆弧中心位移衍生的平衡分别对前弧FLM和FLT，洛仑磁力FLM和FLT 对应中部和后部电弧的公式为（3）（4）。

FLM和FLT的计算公式为

根据公式（3-6），前弧的中心位移公式为：

利用结果解释公式（1）（2）（8）的前弧位移:

其中常数C_LM和C_LT是实验计算结果。利用同样的过程，中间和后弧中心位移计算公式为：

1. 理论公式

在三维瞬态传热和流体流动三丝埋弧焊模型的质量守恒方程中，动量守恒方程，能量守恒方程，VOF方程为控制方程。需要与目前焊接工艺相关联的工艺模型用控制方程求解焊接池传热和流体流动。在这个模拟中，熔融金属被假定为具有牛顿粘度和不可压缩的层流。基于上述假设，上述控制方程如下：

4.1控制方程

质量守恒方程：

动量方程：

能量守恒方程：

在这里，~n是一个向量的正常的局部自由表面，氢是对流传热系数，T0是环境温度，E是表面辐射率，和斯特凡-玻尔兹曼常数的术语以及钢筋混凝土表示的表面张力系数与表面曲率半径分别。作为熔剂和渣覆盖的整体焊缝的过程中，有没有热损失的对流，辐射和蒸发熔池表面。因此，第二和第三个方面的该方程的右手边（20）为零的熔融池面。此外，利用一些部分的电弧能量将粒状焊剂熔化形成渣。cho。[ 6 ]认为这一能量利用形成的渣，被转移到了焊件均匀热能在熔池边界。因此，长期的qeff一个公式中称为有效的电弧热输入，可以表示为：

当温度QA和QS指可用电弧热输入，渣热输入。埋弧焊效率效率GSAW是

认为0.95在本工作的基础上的文献[ 11 ]。一个单独的埋弧焊热效率可以写为：

能量Qd反映了熔池与能量，电源的关系，关于这一细节的详细解释在文献中很好地解释[ 6 ]镓，钆和GS是指电弧、熔滴和渣热效率，表2显示了头部，中间和尾随电极熔滴半径和速度的三种情况下使用的模拟。注意液滴半径和速度案例2实验测量。相同的信息对于案例1和3是不可用，因此可以作为接近近似值使用。

4.2过程模型

图2.三丝埋弧焊的圆弧相互作用的示意图（一）三弧，（二）之间的中间弧，（三）之间的前弧和尾随弧。

4.2.1焊接相互作用模型

图3.平衡力（a）前弧和中间弧（b）前弧和尾弧。

表二焊接速度关系图

图4.记录表1的焊接电压波形

图5圆弧中心位移与理论值的比较。

4.2.2焊接热力模型

在目前的工作中，使用三个独立的高斯分布的表面热源的头部，中间和后弧热输入。给出了对应于前、中、后弧的非对称高斯热源的一般表达式：

这里指的是任何一对前、中、后弧。前方和后方的电弧有效半径为R_FI和R_RI。长期的R_I作为R_FI和R_RI的平均。在焊接方向的圆弧中心坐标表示为X_i。

4.2.3焊接压力模型

Cho等人认为，假定电弧压力的分布可以是相同的，在电弧热源模型。对于领先的，中间的和尾随的弧，高斯分布的压力模型的一般表达式为：

图7.横截面的温度场

4.2.4电磁力

电磁力（EMF）所产生的电流密度和自感应磁场被认为是公式16为主作用力。垂直和径向分量的电流密度，磁场和电磁场的角分量的解析表示分别如下：

4.2.5热源模型

Cho等.【6】假定熔渣是由某些部分的电弧产生的热量能有效（qeffa），和渣作为热源对材料表面。在三丝埋弧焊中，计算出渣热效率：

温度m_F；C_PF和T_M，流量是指熔化率，比热和颗粒状焊剂的熔化温度。下渣热效率计算公式为（34）

在在1和2的情况下，计算结果弧渣热效率分别为2.97%和2.4%。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[146796]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

您可能感兴趣的文章

• 300M钢的大型构件在热锻过程中奥氏体晶粒长大行为3D数值模拟和实验分析外文翻译资料
• 变薄拉深精整和压缩精整作为近净成形锻后处理工艺的比较外文翻译资料
• 对塑料注射成型工艺参数优化的一般框架外文翻译资料
• 原位合成TiB-TiN增强Ti6AI4V合金复合涂层:微结构，摩擦学和体外生物相容性外文翻译资料
• 轴承钢中的碳化物溶解外文翻译资料
• 合金钢大型环件锻轧制过程的三维宏-微观耦合有限元建模与仿真外文翻译资料
• 环件冷轧对100Cr6钢组织和织构演变的影响外文翻译资料
• 电子互连中Cu6Sn5层上锡的成核外文翻译资料
• 碳纳米管束的拉伸和压缩性能外文翻译资料
• 利用高粘度铜膏和螺旋挤压机制备3D打印 金属结构外文翻译资料