旁路耦合微束等離子三維焊接數(shù)值研究.pdf

1、三維焊接是增材制造中的一類，直接從零件的數(shù)字化模型（例如 CAD文件）中制造金屬部件。特別適用于生產(chǎn)形狀復(fù)雜，高價值和定制化零件，以及修復(fù)報廢零件。目前，三維焊接的主要挑戰(zhàn)包括成形缺陷（如氣孔），表面光潔度低，材料性質(zhì)在空間上不均勻分布。這些挑戰(zhàn)主要來自于對增材制造復(fù)雜的物理過程認識不足，尤其是熔池動態(tài)，比如熔池液態(tài)金屬流動，熱傳導(dǎo)，合金元素的蒸發(fā)以及固化。由于熔池面積小，同時瞬態(tài)變化較大，采用實驗的方法直接測量比較困難。而且，目前的光

2、學(xué)和紅外攝像機在觀察熔池表面時也受到限制。所以，很難通過實驗研究熔池中熔融金屬的流動、熔池動態(tài)和宏觀缺陷。另一方面，基于嚴格求解質(zhì)量、動量和能量守恒方程的數(shù)值模擬可以提供發(fā)生在增材制造過程中復(fù)雜傳輸現(xiàn)象的重要定量認識。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過分析電弧增材制造中遇到的種種問題，發(fā)現(xiàn)電弧增材制造精度不高，組織性能不好的部分原因是對工件的熱輸入太大，因此提出了旁路耦合微束等離子弧焊(Double Electrode Micro

3、Plasma Arc Welding， DE-MPAW）。搭建了 DE-MPAW三維焊接平臺，整個平臺由三維運動系統(tǒng)、D E-M PAW焊接系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和焊接控制系統(tǒng)組成。運用 CCD攝像機實時跟蹤熔滴過渡，采用熱電偶測量對母材的熱輸入并且實時采集焊接過程中的電流電壓。對 D E-M P AW焊進行了一系列的基礎(chǔ)研究。分析了旁路電流對焊接過程中熔滴過渡、母材熱輸入和焊縫形貌的影響并采用優(yōu)化的工藝參數(shù)進行了單道多層堆積試驗。⑵采用F

4、LOW-3D軟件，使用有限差分算法，開發(fā)了熔滴、熱源和熔池受力子模型，建立了考慮自由表面的 D E-M PAW焊三維瞬態(tài)熔池模型。計算了熔池溫度分布和流動狀況，深入理解熔池中熔融金屬的傳熱過程和流動模式，為獲得高性能的 SUS304不銹鋼 DE-MPAW三維焊接成形件打下良好的基礎(chǔ)。在該模型中，將熔滴處理為在熔池上方固定高度，恒定溫度和初始速度的球形液滴。對模型中主路，旁路和熔滴之間的能量分配做出分析，假設(shè)熱源和電流密度符合高斯分布模式

5、，考慮了外界與工件之間的蒸發(fā)、輻射和對流熱損失，以及馬蘭戈尼效應(yīng)、電磁力、熔滴沖擊力、電磁力、浮力和等離子流力等對熔池對流的影響。⑶從模擬的角度分析了DE-M PAW三維焊接中單一熔滴定點動態(tài)堆積過程。熔滴由重力，電磁力和電弧等離子流力驅(qū)動，攜帶質(zhì)量、動量和能量周期性的沖擊基板，形成一個液態(tài)熔池。計算了主要由熔滴沖擊動量，馬蘭戈尼效應(yīng)、電磁力等綜合作用下的瞬態(tài)熔池形狀和熔池中復(fù)雜的流動。并且分析了旁路電流和冷卻時間對熔池溫度分布、流動模