超薄壁钛管钨极气体保护焊的多物理场建模

本论文提出了一种名为 gtawFoam 的新型多物理场求解器，用于钨极气体保护焊，并将其应用于模拟超薄壁钛管的轨道 GTAW。在本论文中，超薄壁管是指壁厚小于 500 $\mu m$ 的管材。对这种壁厚的管材进行轨道焊接，既需要足够的热输入来焊接管材，又需要内部支撑气流以确保管材保持其几何完整性。具体应用案例是用于 ATLAS ITk 冷却系统的商业纯 2 级钛管，其外径为 2.275 $mm$，焊接处壁厚为 300 $\mu m$。该求解器使用开源计算流体力学库 OpenFOAM 创建，并且求解器的每个组件都针对适当的案例进行了基准测试。在求解器建立之后，它被用来模拟在上述钛管上实验进行的一系列焊接程序。实验和模拟结果都显示了一个“金发姑娘”区域，在该区域内，焊接热输入和内部支撑气体流量被调节到一个水平，既能形成完全熔透的焊缝，又不会损害管材的几何完整性。然后，gtawFoam 被用于模拟壁厚在 250 $\mu m$ 到 350 $\mu m$ 之间的假设管材。结果表明，一旦达到所需的支撑气体压力，它在壁厚变化之间相对可转移，但施加足够的热量以实现完全熔透至关重要。这些结果随后被用来预测这种假设管材的有效焊接程序。gtawFoam 随后被应用于涡轮叶片的焊接。这包括添加多层填充金属以模拟增材制造。