受控脈沖穿孔PAW焊接熔池與小孔瞬時演變行為的數值分析.pdf

1、受控脈沖穿孔等離子弧焊接(PAW)新工藝采用特殊設計的脈沖電流波形，在焊接過程中通過改變脈沖下降沿兩個緩降斜率，主動地控制熔池與小孔的熱物理形態(tài)，使小孔發(fā)生周期性的“形成-長大-縮小-閉合”過程，能在最低的熱輸入狀態(tài)下保證穿孔和熔透，有廣闊的應用前景。但是，受控脈沖穿孔PAW焊接的工藝參數更多，熔池與小孔的熱物理形態(tài)更為復雜。因此，深入研究受控脈沖穿孔PAW焊接熱過程與熔池-小孔行為的瞬態(tài)變化過程，對于實現這一新工藝的優(yōu)化，揭示其物理機

2、制，具有重要的理論意義和工程實用價值。
　　 本研究首先利用不銹鋼試件開展了受控脈沖PAW焊接工藝實驗，測量了表征小孔形狀與尺寸的等離子弧尾焰電壓信號，在試件背面采集了小孔圖像。焊后制備了焊縫橫截面宏觀金相圖片，獲得了不同工藝條件下的熔合區(qū)形狀與尺寸。這些實驗結果既為受控脈沖PAW熔池與小孔行為建模仿真提供了指導，也為模型和數值分析結果的實驗驗證打下了基礎。
　　 采用“宏觀熱效應”法，通過建立適用的“雙橢球體+圓柱體”

3、組合式體積熱源模型，對受控脈沖PAW焊接過程在一個脈沖周期內溫度場和熔池形狀的瞬態(tài)變化過程進行了模擬計算。在受控脈沖PAW焊接條件下，焊接電流按特殊設計的脈沖波形變化，焊接熔池相應的呈現“未熔透-全熔透”的周期性變化。與方波脈沖電流PAW焊接熱過程相比，受控脈沖電流作用下PAW焊接熔池形狀尺寸隨脈沖電流的演變過程更為平穩(wěn)，這從焊接熱過程角度展現了受控脈沖PAW焊接工藝的優(yōu)越性。
　　 根據受控脈沖穿孔PAW焊接過程中熔池表面的受

4、力和變形特點，基于小孔形成和閉合的力學平衡條件，建立了熔池內部小孔形狀的數理模型。在不同工藝條件下數值模擬了一個受控脈沖周期內，小孔“形成-長大-縮小-閉合”的瞬時演變過程?？紤]到一個脈沖周期內熔池“未熔透-全熔透”的周期性變化特點，在小孔的求解過程中分兩種情況分別進行處理和模擬。根據測試出的等離子弧尾焰電壓信號與背面小孔圖像，確定了不同工藝條件下小孔的形狀尺寸和小孔處于穿孔狀態(tài)的持續(xù)時間。工件背面小孔長度和寬度以及處于穿孔持續(xù)時間的計

5、算數據與實驗結果吻合。將計算出的PAW焊縫橫斷面熔合區(qū)形狀與實驗結果進行了對比，兩者吻合情況良好。
　　 單純基于力學平衡條件計算出的熔池表面變形和相應的小孔形狀，在熔池尾部誤差較大，該處液態(tài)金屬表面隆起的計算值偏大。實際上，等離子弧作用于小孔壁面的“熱-力”耦合作用，決定了穿孔過程及小孔形狀尺寸?？紤]小孔壁面上的“熱學平衡”條件，對基于“力學平衡”條件計算出的小孔形狀進行了修正，在一定程度上克服了熔池尾部液態(tài)金屬表面隆起計算結