电磁辅助电弧直接成形数值模拟

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电弧直接成形技术是基于沉积成形原理的先进高能束快速成形技术,可实现高性能精微复杂制件的无模快速直接制造。但是由于电弧熔积快速制造过程是迅速融化急速凝固的复杂物理过程,难免出现焊丝熔不全、熔滴侧淌结瘤等问题,直接影响到材料利用率、成形精度、表面质量与使用性能。本文对电弧直接成形加以电磁辅助技术,在焊枪起弧的同时给电磁线圈通交变电流,产生的交变磁场在熔池附近产生与线圈中电流方向相反的涡流,两者之间的电磁斥力将给熔池金属提供一个悬浮力以托住熔滴,不使其向两侧流淌,提高零件的表面质量。通过在maxwell12.0软件中对线圈各结构参数进行二维建模分析,以线圈提供的悬浮力为依据,分析线圈直径、线圈锥角、磁场频率、励磁电流等参数对悬浮力的影响规律,得出线圈最优参数。根据优化后的参数进行三维建模,得出悬浮力在熔池附近的空间三维分布规律。并以此为依托在matlab软件进行回归得出规律方程,利用C++软件编制程序,加载到FLUENT流体仿真软件中,进行三维流体模拟。流体仿真中建立了电磁辅助电弧直接成形多相瞬态场统一数学模型;在求解流场、温度场与溶质扩散场时采用焓-孔隙度法处理固液共存区热物性;采用非均匀自适应交错计算网格;利用有限容积法(FVM)方法与SIMPLEC算法等方法离散控制方程;利用附加源项思想(ASTM)简化处理边界条件。得出加磁辅助后零件在形貌、温度以及熔池内部流场上都较无磁条件有了极大的改善,并优化了加工中几种重要的工艺参数:线圈位置为线圈中心滞后焊枪中心7mm、角度倾斜向上30°、送丝速度为3.6m/min、焊枪行走速度为480mm/min等。最后,通过实验验证了本文数值模拟结果的正确性。本研究为电磁辅助电弧直接成形制造技术选择合理工艺条件提供了科学依据和有效工具。对电磁场与熔池之间的交互作用的数值模拟还需要进一步研究。
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