等離子弧-熔池-小孔形態(tài)的一體化數(shù)值分析.pdf

1、穿孔等離子弧焊接(PAW)可以在熔池中形成穿透工件的小孔，實現(xiàn)單面焊雙面成型，是中厚板制造中的一項重要連接技術(shù)。但是，PAW存在工藝窗口窄、小孔穩(wěn)定性差、適應性不高等問題。等離子弧的熱-力特性是PAW形成穿透小孔的重要原因，等離子弧、熔池和小孔三者之間相互作用，相互影響，其物理機制耦合在一起。因此，深入了解PAW工藝機理，需要分析PAW過程中，等離子弧、小孔與熔池間的熱-力傳遞機制。這對于優(yōu)化PAW焊接工藝和拓展其工藝應用范圍有重要意義

2、。
　　建立了軸對稱等離子弧的數(shù)值模型，計算區(qū)域包括鎢極、噴嘴及弧柱區(qū)。利用Fluent6.3及其二次開發(fā)功能，耦合求解電磁場和流體力學守恒方程，分析了等離子弧的熱-力特性?？疾炝穗x子氣流量和噴嘴直徑對等離子弧溫度、速度及電流密度等熱-力特性的影響規(guī)律。
　　針對定點PAW，建立了軸對稱等離子弧-熔池-小孔的一體化模型。將“局部熱平衡-擴散近似法(LTE-diffusion approximation)”用于一體化模型中，處

3、理等離子弧-熔池之間的非局部熱平衡區(qū)域一鞘層；通過;陽極表面使用合適的網(wǎng)格尺寸，避開對鞘層內(nèi)復雜物理現(xiàn)象的求解，解決等離子弧-熔池間電場連續(xù)性問題；在界;層網(wǎng)格的能量控制方程中添加鞘層區(qū)域發(fā)生的熱通量源項。模擬了工件穿孔的過程中，熔池表面下凹變形、盲孔擴大、等離子弧-小孔壁面間的熱-力耦合作用以及熔池與弧柱區(qū)電磁場、溫度場和流場的瞬態(tài)演變行為。著重考察和分析了焊接穿孔過程中隨等離子弧與熔池界面的不斷變化，熔池表面上電流密度、等離子弧壓力

4、、熱流密度的變化規(guī)律。
　　在軸對稱一體化模型中，考慮了金屬蒸氣的影響。采用粘度近似法處理金屬蒸氣質(zhì)量分數(shù)方程中擴散項系數(shù)。計算定點PAW焊接過程中金屬蒸氣的產(chǎn)生與擴散。分析金屬蒸氣擴散至等離子弧中后，等離子弧的溫度場，流場和電場的變化規(guī)律。等離子弧熱-力性質(zhì)的改變引起了等離子弧-熔池界面上的熱流密度分布的變化。在模型中考慮金屬蒸氣時，預測的熔池溫度場減小，熔池尺寸更接近實驗數(shù)據(jù)。
　　針對連續(xù)PAW，使用滑移網(wǎng)格技術(shù)處理工

5、件與等離子弧之間的相對移動，建立了運動的熱源-力源作用下等離子弧-熔池-小孔的三維一體化模型。數(shù)值分析結(jié)果表明，隨著等離子弧沿焊接方向移動，不斷熔化的液態(tài)金屬環(huán)繞小孔壁面快速流向熔池尾部;小孔前壁與熔池前部固液界面幾乎重合，此處液態(tài)金屬層較薄;液態(tài)金屬主要集中于等離子弧后部的熔池區(qū)域;穿透小孔的軸線向后偏離焊槍軸線，小孔的形狀相對于焊槍軸線不再對稱;等離子弧施加于小孔前后部壁面上的熱-力作用也不再對稱。
　　采用水平陽極表面上的等