等离子弧焊接过程数值模拟研究现状分析

等离子弧焊接过程数值模拟是研究等离子弧焊接机理和优化等离子弧焊接工艺参数的重要手段。以对小孔的处理方式作为分类依据,从未直接考虑小孔的PAW数理模型、假定小孔形状的PAW数理模型、计算追踪小孔边界的PAW数理模型、追踪小孔并直接考虑小孔作用的PAW数理模型四个方面综述了国内外等离子弧焊接过程数值模拟的研究进展。     

等离子弧焊接小孔形状和穿孔过程的数值分析

根据小孔壁面上的力学平衡条件,建立了穿孔等离子弧焊(PAW)的小孔模型.利用该模型,对6 mm厚不锈钢板PAW准稳态小孔的形成过程进行了数值计算,得到了不同工艺参数下准稳态小孔的形状和尺寸.根据达到准稳态时小孔壁面的受力状态,对PAW过程中小孔从盲孔到穿孔的转变机制进行了探讨,分析计算了小孔壁面上各区域的作用力大小.随...     

三维静态锥体热源穿孔等离子弧焊接熔池的数值模拟

采用三维静态锥体热源对穿孔等离子弧焊接过程进行数值模拟.研究了三维锥体热源作用下焊接熔池流体流场、熔池内金属的流动方式以及熔池流体运动速度的变化.并与高斯热源条件下的模拟结果做比较.最后进行PAW焊接工艺试验,通过测量尾焰信号及焊缝尺寸等判断焊接熔池特征,将理论计算结果与试验测量值进行比较.     

穿孔等离子弧焊接熔池流动和传热过程的数值模拟

考虑熔池与小孔的耦合作用,建立了穿孔等离子弧焊接三维瞬态熔池流体流动和传热过程的数学模型.采用流体体积函数法追踪小孔的形状与尺寸,利用焓-孔隙度法处理凝固熔化过程中的相变潜热以及动量损耗问题.针对穿孔等离子弧焊接的工艺特点,建立了随小孔深度动态调整的组合式体积热源模式.对8 mm板厚的不锈钢工件进行了穿孔焊接工艺实验和数值模拟,获得了等离子弧焊接过程中熔池出现、小孔形成、流场与温度场演变、工件熔透与穿孔等动态过程的基础数据,展示了小孔穿孔前后熔池流体流动规律.工件背面小孔形状尺寸以及焊缝横断面的数值模拟结果与实验测试结果基本吻合.     

穿孔型层流等离子弧焊接残余应力的数值模拟

根据层流等离子体射流的特性,建立了焊接穿孔型热源模型,并采用Abaqus有限元分析软件对穿孔型层流等离子弧焊残余应力进行了数值模拟。结果表明,层流等离子体射流焊后应力要比湍流等离子体射流小很多,为以后的研究奠定了理论基础。     

等离子弧焊接过程数值模拟的现状及发展

以等离子弧焊接过程为对象，分别从焊接电弧和焊接熔池的角度，概括了近年来等离子弧焊接电弧及熔池数值模拟领域取得的一些进展，分析了现有数学模型中存在的问题，提出了今后的发展方向。     

小孔等离子弧焊接热场的有限元分析

根据小孔等离子弧焊接的工艺特点，建立了相应的热源模型和焊接热场的分析模型。数值模拟结果表明，一般的双椭球体热源和三维锥体热源不能准确描述小孔等离子弧焊接热过程。提出了改进型的三维锥体热源模型，可以较准确地计算焊缝的正面和背面熔宽，但熔合线走向的计算精度仍较低。在此基础上，考虑等离子弧对熔池的热-力作用，建立了符合小孔形态的热源模型，对小孔等离子弧焊接热场进行了有限元分析，计算出的小孔等离子弧焊缝形状与试验结果吻合良好。     

小孔等离子弧焊接热场瞬时演变过程的数值分析

根据小孔等离子弧焊接的工艺特点,考虑等离子弧对熔池的“挖掘”作用,提出了一种新的焊接热源模型（TPAW）,以描述和反映等离子弧作用下“倒喇叭”状焊缝横断面的特点以及等离子弧热流沿工件厚度方向的分布．在此基础上,对小孔等离子弧焊接热场进行了有限元计算,分析了引弧后熔池及周围温度场的瞬时演变过程．计算出的小孔等离子弧焊缝形状与实验结果基本吻合,达到准稳态的时间与实验测试值一致．     

穿孔型等离子弧焊接热-力耦合模型优化

K-PAW的焊接过程是等离子电弧对被焊工件热与力的耦合作用.文中基于FLUENT软件,依据流体动力学理论,对穿孔型等离子弧焊接过程熔池、流场和小孔进行了热-力耦合模型分析,提出了随穿孔深度增加,能量和电弧压力二次变化的计算优化模型,使维持小孔壁面稳定的力同时作用在小孔内部和物理边界上,初步实现了穿孔型等离子弧焊接从开始到穿透工件及穿孔后焊接过程的数值模拟.计算结果表明,焊接时间为0.25 s时,熔池已开始熔化并出现下凹变形,穿孔型等离子弧焊接穿孔时间为2.15 s,焊接3.00 s后小孔和熔池达到稳定状态,与试验测得的穿孔时间吻合良好,在穿孔动态过程中穿孔形态吻合良好,熔合线走势基本相同.另外,在平行于焊缝的截面上观察,熔池内部易出现逆时针环流.     

穿孔等离子弧焊接中等离子云的检测

应用天体物理等离子鞘层理论的知识，分析金属板测量尾馅时产生电压和探针测量等离子云时产生电压的原因。当把探针放置在等离子云中，由于等离子体的特殊性，将在探针上产生了负电位，与工件电位差就是鞘层电压，并给出鞘层电压的计算公式，通过分析发现，鞘层电压大小仅仅与检测处等离子体温度和成分有关。提出了一种用无电源探针检测等离子云的新方法，通过检测等离子云中探针上产生的鞘层电压是否为零来判断小孔是否形成。试验验证了鞘层理论在等离子弧焊接中应用的正确性，同时给出了探针放置的最佳位置。     

等离子弧焊中电弧反翘现象的数值模拟

根据流体的质量、动量、能量守恒方程,建立了穿孔等离子弧焊接过程中的等离子电弧三维数学模型,用磁矢量法求解磁场问题.模型包括了一部分喷嘴和钨阴极,小孔也被包含进模型中.利用ANSYS有限元分析软件求解模型,得到等离子电弧的温度分布,以研究等离子弧焊中电弧反翘现象.结果表明,等离子电弧反翘随小孔尺寸的增大而减弱,电弧尾焰随小孔尺寸的增大而增强;而适当的增加焊接速度以使小孔轴线与电弧轴线之间形成一定的偏差是形成等离子电弧反翘现象的必要条件;焊接电流主要是通过改变小孔尺寸而对电弧反翘产生影响.     

Numerical analysis of keyhole establishment time in keyhole plasma arc welding

Numerical analysis of keyhole shape and keyhole establishment time is of great significance for selection and optimization of the process parameters in keyhole plasma arc welding. In this paper, a three-dimensional transient model is developed to analyze the evolutions of keyhole shape and keyhole establishment time in continuous current plasma arc welding process. Firstly, a combined volumetric heat source model is used to simulate the transient variation of temperature field. And then the surfaced formation equation is adopted to calculate dynamic features of the keyhole shape and keyhole establishment time inside weld pool, in which the force action on weld pool surface is considered. Experiment is conducted to validate the numerical simulation results. The predicted keyhole size and keyhole establishment time are in agreement with the experimental measurement. And the calculated fusion zone geometry is consistent with the measured one.     

纵向磁场下GTAW电弧传热与流动数值模拟

针对外加纵向磁场(LMF)下的焊接电弧的传热与流动特性,建立基于磁流体动力学的二维轴对称数学模型,将流体动力学理论与麦克斯韦方程组进行耦合对电弧的温度场、电势场、电弧压力以及电流密度等进行求解,又分别对磁感应强度为0与0.06 T下的阳极热进行定量分析与对比. 结果表明,外加LMF驱动带电粒子旋转并使电弧扩张,其中心出现负压并形成反重力流将阳极热汇聚于阴极附近,同时电弧因高速旋转增大热对流损失,降低焊接热效率.当磁感应强度为0.06 T时,阳极表面的电流密度、热流密度以及电弧压力等由中心分布转化为双峰分布模式.     

激光+GMAW复合热源焊流体流动数值分析模型

基于FLUENT软件,建立了适用、高效的激光+GMAW复合焊流体流动数值分析模型. 将电弧热输入视为双椭球热源模型,采用基于小孔尺寸的锥体热源模型描述激光热流分布;将金属填充过程视为液态金属从熔池上部边界以一定速度流入熔池过程,并通过对液态金属流速施加时间脉冲函数,模拟熔滴的过渡频率;模型简化了小孔的计算过程,主要考虑熔池中存在的弯曲小孔对流体的影响. 利用FLUENT软件,对激光+GMAW复合热源焊熔池流体流动及小孔形态进行了模拟计算和分析. 结果表明,模型能够合理反映小孔及复合焊流体流动模式的主要特征,且提高了计算效率.     

NTWV-based sensing keyhole dimension in plasma arc welding

During stable keyhole plasma arc welding, the pilot arc and the transferred arc exist at the meantime, and the arcs can be considered as a composition of two parts inside and outside the nozzle, respectively. Under the mechanical constriction and thermal contraction effects, the inside arc has certain arc length, electron density and arc profile etc. inducing constant tungsten-to-nozzle voltage. However, the arc outside the nozzle diverges at about 5 degrees and has certain characteristics similar to the free arcs. The nozzle-to-workpiece voltage （NTWV） depends mainly on the length of the arc, which gets bigger as increasing of the weld penetration and keyhole size. The NTWV sensor is developed for monitoring NTWV in real time. The welding experiments are designed to get different penetrations and keyhole sizes. It is found that as the weld penetration and the keyhole size increase, NTWV also increases linearly. The NTWV signals can be used as the feedback variable in automatic control of keyhole plasma arc welding.     

等离子枪体内部流场及温升的模拟分析

采用有限元模拟技术研究了多种等离子枪体内部的水流场和气流场。分析了等离子枪体的机构对水流速的影响以及对紊流形成的影响。并在此基础上,分析了在不同流场分布状态的条件下,等离子枪体内部的温度场形态,通过验算枪体关键部位的温升,发现在不改变冷却水流量的情况下,仅通过改变水道结构和入水方向,就可以使枪体的冷却效果得到明显的改善。该研究结果为等离子枪体的设计和结构优化提供了重要的参考数据。     

ForceArc双面焊熔池流场与温度场的数值模拟

基于超威弧(ForceArc)焊接时电弧的形态特征,及超短电弧下实现强制熔滴喷射过渡的特点,采用双椭圆分布热源模型及峰值指数熔滴热焓衰减分布模型. 通过分析工件坡口形貌对ForceArc焊接物理过程的影响,建立贴体坐标系下的ForceArc焊接过程三维瞬态数值分析模型. 模拟了不同预热温度及层间温度对焊接过程的影响,分析了工件上下坡口形貌对熔池传热、传质的影响,并与试验结果进行了对比. 结果表明,文中所建模型能够较好地模拟ForceArc焊接过程,对优化其焊接工艺参数具有一定的指导意义.     

Analysis of keyhole geometry in plasma arc welding

The key problem for numerical simulation of plasma arc welding （PAW） process is to develop a suitable and adaptive volumetric heat source mode which reflects the physical characteristics of keyhole PAW. To this end, the keyhole geometry under different PAW process conditions must be predicted. In this paper, a mathematical model for determining the keyhole shape is developed with considering the mass and momentum conservation of the in-keyhole plasma jet as well as the pressure equilibrium at the plasma jet/liquid metal boundary. A suitable heat source model related to the keyhole shape is applied to the calculation of PAW weld dimensions. The predicted results are in good agreement with the experimental ones.