PAW焊接熔池-小孔流場與熱場動態(tài)行為的數(shù)值分析.pdf

1、在穿孔等離子弧焊接(PAW)過程中，小孔的形成與維持涉及復(fù)雜的物理機制，其動態(tài)演變過程(形成、維持、閉合)對焊縫熔深大小以及焊接質(zhì)量有著決定性的影響。熔池中出現(xiàn)小孔時，小孔與熔池相互影響相互作用，小孔形狀和尺寸的改變，直接影響到熔池中的流體流動和傳熱過程；而熔池液態(tài)金屬流場與熱場也反過來影響小孔的形狀與尺寸。目前，對等離子弧焊接熔池與小孔相耦合的流動與傳熱問題，研究的還很不深入。通過數(shù)值分析，研究PAW焊接熔池與小孔的交互作用以及流場與

2、熱場的特點，對于優(yōu)化焊接工藝參數(shù)和過程控制，提高PAW工藝的裕度和過程穩(wěn)定性，具有重大的理論意義和工程實用價值。
　　 采用不銹鋼試件開展了穿孔等離子弧焊接工藝試驗。利用圖像采集系統(tǒng)測試了不同工藝條件下工件背面的小孔形狀與尺寸，焊后制作了焊縫橫截面的金相照片，獲得了焊縫輪廓形狀和尺寸。探討了工藝條件對穿孔過程和焊縫成形的影響機制。
　　 在深入分析等離子弧熔池流體流動以及傳熱規(guī)律的基礎(chǔ)上，考慮熔池與小孔的耦合、交互作用，

3、建立了三維瞬態(tài)熔池和小孔熱場與流場的數(shù)學(xué)模型。模型中采用雙橢圓的電弧壓力分布模式，考慮了電磁力、浮力、重力以及表面張力的影響。采用流體體積函數(shù)法(VOF)計算小孔的形狀與尺寸，利用焓孔隙度法處理凝固熔化過程中相變潛熱以及動量損耗問題。控制方程采用有限體積法進行離散，采用PISO算法求解離散的控制方程組。對FLUENT軟件進行了二次開發(fā)，實現(xiàn)了穿孔等離子焊接過程的數(shù)值分析。
　　 針對穿孔等離子弧焊接的工藝特點，建立了隨小孔深度動

4、態(tài)調(diào)整的組合式體積熱源模式?？紤]等離子弧焊接電弧的挖掘作用而形成的倒喇叭狀的焊縫形貌，體積熱源模型上部分采用雙橢球體熱源，下部分采用錐體熱源。計算過程中，在每個時間步后，根據(jù)小孔的深度變化對組合式體積熱源的有關(guān)分布參數(shù)加以動態(tài)調(diào)整，描述了隨小孔變深等離子弧沿工件厚度方向的熱作用。
　　 利用建立的三維瞬態(tài)熔池和小孔熱場、流場的數(shù)學(xué)模型，采用動態(tài)的組合式體積熱源模式，分別對6mm和8mm板厚的不銹鋼工件進行了穿孔PAW焊接數(shù)值模擬