穿孔等離子弧焊接溫度場的有限元分析.pdf

1、穿孔型等離子弧焊接(Keyhole plasma arc welding，K-PAW)作為高能密度焊接工藝方法之一，具有巨大的工業(yè)應用潛力。但其實用的工藝參數(shù)區(qū)間窄，可調(diào)裕度小，導致小孔的穩(wěn)定性差，這些問題制約了該工藝在工業(yè)中的大量應用。進行K-PAW焊接溫度場的數(shù)值模擬研究將有助于對其工藝機理的深入了解和工藝參數(shù)的優(yōu)化，有利于促進其工業(yè)應用和推廣。K-PAW焊接時形成貫穿工件的小孔，對應于這種工藝特點，K-PAW的焊縫具有“倒喇叭”狀

2、的焊縫成形。現(xiàn)有的熱源模式(如，SYSWELD軟件所配備的高斯平面熱源、雙橢球體熱源、三維錐體熱源、高斯旋轉(zhuǎn)體熱源等)無法準確模擬出深寬比大的K-PAW焊縫形狀尺寸，需要進一步提出充分考慮K-PAW焊接工藝和焊縫形狀特點的適用的體積熱源分布模式。 從宏觀的焊接熱過程出發(fā)，將小孔效應體現(xiàn)在熱流密度沿工件厚度方向的分布上，建立適用的、恰當?shù)腒-PAW體積熱源分布模式，以充分描述K-PAW焊縫大深寬比的特點。根據(jù)K-PAW的焊縫形狀特

3、點，找出了適合于K-PAW焊接的組合式體積熱源作用模式，即，沿板厚方向，工件的上部采用雙橢球體熱源，下部為中心軸熱流峰值線性遞增的圓柱體熱源。將“雙橢球體+峰值遞增圓柱體”組合式熱源應用于SYSWELD軟件與K-PAW焊接熱過程的有限元分析模型，計算了6mm和8mm厚不銹鋼板K-PAW焊接溫度場以及焊縫形狀尺寸，計算與實驗結(jié)果吻合。證明了所提出的組合式體積熱源的合理性和適用性。 從小孔形成的物理過程出發(fā)，通過建立小孔的數(shù)理模型，

4、在確定出小孔形狀的基礎上，建立K-PAW的體積熱源作用模式，是K-PAW焊接熱過程研究的另外一種思路。本文在這方面進行了初步探索。根據(jù)小孔內(nèi)部的能量平衡、動量守恒和小孔表面張力方程，建立了軸對稱小孔的計算模型。將小孔形狀尺寸與K-PAW體積熱源分布區(qū)域相聯(lián)系，提出了“孔體積熱源模式”。將這種熱源模式應用于K-PAW焊接溫度場與焊縫成形的數(shù)值模擬，取得了一定的成效。 進行了不銹鋼板K-PAW的焊接工藝試驗，測量了焊縫輪廓形狀和尺寸