薄壁零件等离子堆焊精确成形控制方法研究

摘要

随着薄壁零件在航天航空、汽车制造等领域的广泛应用，薄壁零件的加工制造工艺成为当前研究热点。但传统加工方法工艺复杂、制造周期长、材料利用率较低，故以堆焊为基础的薄壁零件快速成形技术迅速兴起。但薄壁特征导致熔池“下淌”较为突出，严重影响其成形精度，为解决上述问题，论文结合快速成形原理，采用微束等离子焊接系统，提出利用外加电磁场辅助焊接过程以提高薄壁零件堆焊成形精度的控制策略。 论文以304不锈钢零件的堆焊为研究对象，应用COMSOL有限元分析软件建立数学模型，并对其熔池形态及流场特性进行研究。模型使用等效比热容法考虑相变潜热对温度场分布的影响，通过在动量方程中添加体积力体现熔池受力情况。仿真结果表明:薄壁特征导致熔池区域等温线为倒梯形，非熔池区域等温线为水平分布;表面张力是影响熔池流场特性的主要因素，在熔池中心温度高，表面张力较小，熔池边缘温度低，表面张力较大，故表面张力梯度驱使流体沿径向从中心向边缘流动，并在边缘处向下运动，将更多热量带入熔池底部，形成向两侧“下淌”的现象。 为探讨影响表面张力变化的关键因素，建立在氩气保护氛围下包含熔滴过渡、熔池自由表面变形及凝固在内的固、液、气三相统一模型。模型采用改进的水平集法捕捉气-液界面自由表面运动变化，通过对流体速度的散度求解，保证气液相体积的守恒。为处理气相区和液相区材料属性急剧变化引起的不收敛问题，引入Heaviside函数对密度、粘度及热导率等进行平滑处理。采用焓孔隙率法描述固-液界面熔化及凝固过程，将固化过程并入了体积力方程中，解决了在气液两相流模型中处理第三相的相转变问题。并对表面张力系数、表面张力温度系数以及接触角进行了详细的分析，确定了各参数对于熔池成形的影响规律。 为调控表面张力对熔池“下淌”产生的影响，提出利用非接触力-电涡流力提高堆焊成形精度的方法。该方法将高频正弦交流电通入励磁线圈产生感应磁场，同时此磁场在熔池表面感生电涡流，电涡流受到磁场的作用会产生指向熔池中心的电涡流力，达到抑制熔池向两侧“下淌”的目的。为J得到励磁线圈最佳结构参数和电参数，基于麦克斯韦方程给出高频交变电磁场中熔池表面的涡流密度、磁通密度及电场强度的解析方程，并通过建立高频励磁装置的数学模型，求解出工件表面上磁通密度、涡流密度和电涡流力的分布规律。随后建立了堆焊过程中温度场-流场-外加电磁场多场耦合数学模型，该模型揭示了外加电磁场对熔池流体流动特性的影响规律，通过抵消表面张力的作用，改变了熔池流体漩涡中心位置，使熔池内流体流速分布更加均匀，从而实现对熔池成形的精确控制。 搭建了微束等离子堆焊精确成形控制平台并进行了多层堆焊试验。通过对比施加电磁场前后堆焊层形貌的变化，对外加磁通密度与熔宽变化量、余高变化量进行回归分析并建立相应的回归方程，其熔宽变化量满足三次方程，余高变化量满足幂函数方程，从而为外加电涡流力控制成形技术提供理论依据。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题背景及研究意义

1．2国内外堆焊成形技术研究现状

1．2．1焊接快速成形技术研究进展

1．2．2外加电磁场辅助焊接技术

1．2．3焊接过程仿真分析

1．3本文主要研究内容

第二章薄壁件堆焊熔池形态及流场特性

2．1薄壁立面堆焊试验

2．1．1单层堆焊

2．1．2多层堆焊

2．2堆焊熔池数学模型建立

2．2．1基本假设

2．2．2控制方程组

2．2．3定解条件

2．3堆焊熔池有限元模型的建立

2．4堆焊熔池形态及流场特性分析

2．4．1温度场仿真

2．4．2熔池的力学模型

2．4．3熔池力学平衡分析

2．4．4熔池温度场与流场耦合分析

2．4．5堆焊试验及验证

2．5熔池内驱动力对流场的影响

2．6本章小结

第三章熔滴过渡及熔池自由表面变形数值分析

3．1液态金属的性质

3．2融滴过渡及自由表面变形的流场仿真

3．2．1自由表面的数学模型

3．2．2考虑自由表面凝固的水平集法控制方程组

3．2．3表面张力简化模型

3．3熔滴估算

3．3．1熔滴温度的估算

3．3．2熔滴直径的估算

3．4两相流水平集物理模型

3．5熔池成形影响因素讨论

3．5．1熔滴及熔池动态演变过程

3．5．2表面张力系数对成形的影响

3．5．3表面张力温度系数对成形的影响

3．5．4接触角对成形的影响

3．5．5试验及验证

3．6本章小结

第四章电涡流力控制熔池成形力学行为分析

4．1电磁场基本理论

4．2外加磁场后的金属流体控制方程

4．3电涡流力控制熔池成形原理分析

4．4电涡流力控制熔池成形力学分析

4．5励磁线圈的结构参数和电参数优化

4．5．1方形线圈物理模型建立

4．5．2磁通密度、感应电流密度及电涡流力分布特性研究

4．6外加磁场对熔池流场分布特性影响分析

4．7外加磁场对融滴过渡及成形影响分析

4．8本章小结

第五章薄壁件等离子堆焊精确成形试验及分析

5．1试验平台

5．2 外加磁场薄壁件堆焊试验

5．2．1外加磁场下薄壁件多层堆焊试验

5．2．2多元线性回归分析

5．3外加磁场薄壁曲面零件堆焊试验

5．3．1等截面曲面零件堆焊试验

5．3．2三段法控制变截面堆焊试验

5．4本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢