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焊接熔池的流体动力学行为及凝固组织模拟

专 业: 材料加工工程
关键词: 焊接熔池 流体动力学 凝固组织的模拟 A-TIG焊 表面活性元素 温度场和速度场
分类号: TG402
形 态: 共 154 页 约 100,870 个字 约 4.825 M内容
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内容摘要


应用流体动力学基本方程和多孔介质流方程,建立了移动热源作用下的TIG焊接熔化和凝固过程的单相统一控制方程组,给出了能量和动量边界条件。

通过编制用户程序,以软件PHOENICS3.3作为求解器,分析了熔池中驱动力—浮力、电磁力、表面张力单独及联合作用下的流体动力学行为,并模拟了奥氏体不锈钢、铝合金和超细晶粒钢在不同焊接参数下的温度场和速度场;研究了A-TIG焊接熔池中的表面活性元素氧含量和硫含量对流体流动方式的影响;并以模拟的TIG焊接温度场为基础,运用GBE模型,模拟了不锈钢和铝合金材料的焊缝中晶粒的生长。

数值模拟结果与实验结果良好吻合。

A-TIG焊中,熔池中的表面活性元素氧和硫显著地影响了熔池中的流体流动方式,活性元素含量的增加和熔池表面温度的降低有利于扩大自由表面上正表面张力温度系数所占的区域。

当活性元素含量高于某一临界值时,正表面张力温度系数完全控制着熔池中的流体流动方式;当活性元素含量低于这个临界值,正、负系数在熔池中同时作用,流体流动方式由二者强弱决定。

焊接参数不同,活性元素含量的临界值不同。

在正、负表面张力温度系数变化处即最大表面张力处附近,等温线密集,温度梯度最大,而熔池中部的温度梯度最小。

随着活性元素含量的增加,熔池深宽比迅速增大,然后趋于一定值,并且在熔池中会出现数目,大小,方向,位置不同的涡流。

当熔池中正表面张力温度系数占优势时,熔池中的流体由熔池边缘流向中心,这种流动方式能有效地把电弧能带到熔池底部,从而使熔深大幅度增加。

熔池中的表面张力温度系数由负变为正时,流体流动方式的变化,使得熔池后部沿熔深方向上的金属液体由熔池底部流向熔池表面,这种流动方式对降低焊缝中气孔、夹杂物的形成倾向极为有利。

焊缝中的晶粒生长形态与熔池的形状有关。

运用GBE模型,以模拟得到的液相线作为晶粒生长的起始位置,根据晶粒的四种生长方式,通过叠加不同时刻的晶界位置,模拟了奥氏体不锈钢,铝合金焊缝中的柱状晶的动态生长,并用试验验证了模拟结果。

晶粒的生长形态受熔池长宽比的影响,而熔池长宽比是焊接热输入、焊接速度和热导率的函数。

长宽比越小,熔池形状越接近椭圆形,晶粒朝焊接方向生长,晶粒弯而长;长宽比越大,熔池形状沿焊接方向拉长,晶粒沿垂直于焊缝的方向生长,晶粒短而直……

全文目录


文摘
英文文摘
第1章 绪论
1.1课题意义
1.2焊接过程传输现象数值模拟的研究与进展
1.2.1焊接传热传质的研究
1.2.2焊接熔池传输过程的数值模拟
1.2.3表面张力温度系数的变化在焊接冶金上的应用
1.3微观组织的模拟
1.3.1微观组织模拟的方法
1.3.2焊接接头组织的数值模拟
1.4本文工作内容
第2章 焊接熔化与凝固过程的数学模型
2.1引言
2.2对流/扩散固液相变统一模型控制方程组
2.2.1控制方程组的数学描述
2.2.2数值解法
2.3移动热源下TIG焊接的三维数学模型
2.3.1控制方程组
2.3.2源项及边界条件
2.4数值模拟计算程序的实现
2.4.1能量方程的源项及数值处理
2.4.2动量方程的源项及数值处理
2.4.3边界条件的数值处理
2.4.4控制方程组的数值解法
2.5小结
第3章 TI G焊接温度场和速度场的数值模拟
3.1引言
3.2不同驱动力对焊接温度场和速度场的影响
3.2.1计算结果及分析
3.2.2温度分布和速度分布
3.3不同材料的模拟结果及试验验证
3.3.1 LF6的模拟结果及试验验证
3.3.2 1Cr18Ni9Ti的模拟结果及试验验证
3.3.3超细晶粒钢的模拟结果及试验验证
3.4小结
第4章 表面活性元素对熔池中流体流动方式的影响
4.1引言
4.2表面张力温度系数与温度和活性元素含量的关系
4.3表面活性元素氧对熔池中流体流动方式的影响
4.3.1研究现状
4.3.2模拟结果与讨论
4.4表面活性元素硫对熔池中流体流动方式的影响
4.4.1研究现状
4.4.2模拟结果与讨论
4.5熔池中的流体流动方式对凝固组织的影响
4.6小结
第5章 焊接熔池的凝固组织模拟
5.1引言
5.2焊缝凝固特点和GBE模型
5.2.1焊缝凝固特点
5.2.2 GBE模型的建立
5.2.3 GBE模型实现
5.3模拟结果及试验验证
5.3.1不锈钢1Cr18Ni9Ti焊接熔池的凝固组织模拟
5.3.2铝合金焊接熔池的组织模拟
5.4小结
结论
参考文献

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中图分类: > TG402 > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接一般性问题 > 焊接传热过程

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