受控脈沖穿孔PAW焊接熔池與小孔瞬時(shí)演變行為的數(shù)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(shè)計(jì)的脈沖電流波形，在焊接過程中通過改變脈沖下降沿兩個(gè)緩降斜率，主動(dòng)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(yīng)用前景。但是，受控脈沖穿孔PAW焊接的工藝參數(shù)更多，熔池與小孔的熱物理形態(tài)更為復(fù)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(shí)現(xiàn)這一新工藝的優(yōu)化，揭示其物理機(jī)

2、制，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)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(shí)驗(yàn)，測量了表征小孔形狀與尺寸的等離子弧尾焰電壓信號(hào)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果既為受控脈沖PAW熔池與小孔行為建模仿真提供了指導(dǎo)，也為模型和數(shù)值分析結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證打下了基礎(chǔ)。
　　 采用“宏觀熱效應(yīng)”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(gè)脈沖周期內(nèi)溫度場和熔池形狀的瞬態(tài)變化過程進(jìn)行了模擬計(jì)算。在受控脈沖PAW焊接條件下，焊接電流按特殊設(shè)計(jì)的脈沖波形變化，焊接熔池相應(yīng)的呈現(xiàn)“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(xiàn)了受控脈沖PAW焊接工藝的優(yōu)越性。
　　 根據(jù)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(diǎn)，基于小孔形成和閉合的力學(xué)平衡條件，建立了熔池內(nèi)部小孔形狀的數(shù)理模型。在不同工藝條件下數(shù)值模擬了一個(gè)受控脈沖周期內(nèi)，小孔“形成-長大-縮小-閉合”的瞬時(shí)演變過程?？紤]到一個(gè)脈沖周期內(nèi)熔池“未熔透-全熔透”的周期性變化特點(diǎn)，在小孔的求解過程中分兩種情況分別進(jìn)行處理和模擬。根據(jù)測試出的等離子弧尾焰電壓信號(hào)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(shí)間。工件背面小孔長度和寬度以及處于穿孔持續(xù)時(shí)間的計(jì)

5、算數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。將計(jì)算出的PAW焊縫橫斷面熔合區(qū)形狀與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，兩者吻合情況良好。
　　 單純基于力學(xué)平衡條件計(jì)算出的熔池表面變形和相應(yīng)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(jì)算值偏大。實(shí)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(xué)平衡”條件，對基于“力學(xué)平衡”條件計(jì)算出的小孔形狀進(jìn)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(jì)算結(jié)