熱絲K-PAW電弧-熔滴耦合研究.pdf

1、穿孔型等離子弧焊接屬于高能束焊接的一種，其能量密度集中程度高，焊接質(zhì)量高，已經(jīng)越來越多被應(yīng)用到各行各業(yè)。焊接過程中，加入熱絲填充系統(tǒng)對焊絲提前預(yù)熱，能夠提高熱絲熔敷速率，并且電弧溫度具有單獨可控等特點，因此在保持較低線能量輸入的同時，大幅度提高生產(chǎn)效率。但加入熱絲之后，電弧等離子體的離子運動軌跡及碰撞、過渡的熔滴對熔池的流動狀態(tài)及小孔穩(wěn)定性作用機(jī)理更加復(fù)雜。因此深入探究預(yù)熱焊絲在過渡過程中熔池流場、小孔穩(wěn)定性、電弧形態(tài)的變化規(guī)律，對熱絲

2、填充穿孔型等離子弧焊在工業(yè)上的應(yīng)用前景具有深遠(yuǎn)的理論指導(dǎo)意義。
　　焊接電弧等離子體作為焊接過程中的熱源與力源的載體，對焊接過程中熔滴過渡及穿孔條件的形成有重要的影響作用。本文基于流體力學(xué)中的質(zhì)量連續(xù)、動量守恒、能量守恒及磁矢量分量方程，建立了三維等離子弧焊接電弧數(shù)學(xué)分析模型，對電弧等離子體的溫度場、等離子流速度場、電弧壓力場、電磁場及氬等離子體粘滯系數(shù)隨焊接工藝參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析。然后基于VOF方法，考慮了重力、表面張力、

3、等離子流力及電磁力建立了三維熔滴過渡的數(shù)學(xué)模型，分別對送絲速度為1.0m/min與1.5m/min的情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。與此同時，為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確與否，進(jìn)行了大量的無填絲、填絲及熱絲穿孔型等離子弧焊接工藝試驗，利用高速攝像系統(tǒng)采集了不同工藝參數(shù)條件的電弧形態(tài)及熔滴過渡演變過程。
　　分析試驗及數(shù)值結(jié)果表明：等離子電弧的數(shù)值模擬中電弧溫度、等離子流速度、電弧壓力、磁場強(qiáng)度、電流密度在噴嘴的約束作用下，隨著焊接電流、離子氣流

4、量、鎢極內(nèi)縮量增加而增加，氬等離子體粘滯系數(shù)隨溫度升高而減小。其中焊接電流對焊接電弧能量密度的影響較大，當(dāng)焊接電流分別為120A、140A、160A時，電弧等離子體的溫度分別21980K、24200K與26130K，等離子流速度分別是308m/s、392m/s、489m/s。工藝試驗中，當(dāng)焊接電流為140A、離子氣流量為3.0L/min、焊速為140mm/min、鎢極內(nèi)縮量為3.0mm、送絲速度為0m/min時，形成的焊縫正反面成形較好

5、，但有咬邊缺陷產(chǎn)生。當(dāng)送絲速度為1.0m/min，熱絲電流為0A時，焊縫正反面成形美觀，無咬邊、氣孔等缺陷產(chǎn)生。但當(dāng)熱絲電流為50A時，卻沒有形成穿孔，當(dāng)熱絲電流增加到100A時，形成了穩(wěn)定的穿孔。隨著送絲速度增加，熔滴過渡周期與熔滴直徑減小，但熔滴過渡過程中，電弧發(fā)生收縮，小孔與電弧反翅發(fā)生減弱或消失。
　　通過對比模擬與工藝試驗結(jié)果，電弧與熔滴過渡行為吻合良好。熱絲電流對電弧-熔滴的耦合作用機(jī)理較復(fù)雜，影響了焊接過程的穩(wěn)定性，