等离子焊接电弧流场数值分析

以直流正极性等离子焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用有限元分析软件ANSYS对二维稳态下轴对称等离子焊接电弧进行了数值分析,得到了焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征.从等离子弧电流密度及离子气流场角度揭示了等离子电弧高热特性的原因.分析了等离子电弧的电场特性、离子气和保护气的流场特性以及不同焊接电流、离子气流量对电弧特性的影响.分析结果表明,离子气流量与电弧力成线性关系,保护气流量的选择导致的涡流大小影响电弧稳定性.     

气流再压缩等离子弧焊接电弧行为

电弧等离子体行为对焊接接头组织结构和性能具有决定性作用,开展气流再压缩等离子弧特性研究对于指导先进材料的气流再压缩等离子弧焊接工艺和提高焊接接头质量具有重要意义. 针对气流再压缩等离子弧焊接新工艺,基于流体动力学和电磁理论,建立气流再压缩等离子弧数值分析模型,采用ANYSYS Fluent软件,通过C语言进行二次开发,定量计算等离子弧温度分布、流场分布、电势分布,分析压缩气对等离子弧温度场、流场、电弧电压的影响规律. 模拟结果表明,压缩气对喷嘴内的等离子弧温度分布基本没有影响,压缩气对喷嘴外的等离子弧具有拘束压缩作用;压缩气对等离子弧流场分布基本没有影响;压缩气能够提高电弧电压. 相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,气流再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力有望提高.     

不同介质微束水蒸气等离子弧的气流形态与电弧力

微束水蒸气等离子弧气流形态与其电弧形态、电弧特性密切相关。中对水、水 乙醇及水 丙酮等不同介质的微束水蒸气等离子弧气流形态、电弧力进行了测试研究。气流形态测试结果表明，纯水介质的水蒸气等离子弧的气流扩展率最大，水 丙酮介质的水蒸气等离子弧的气流扩展率最小；随着乙醇或丙酮浓度的增加，气流的扩展率增大。电弧力的测试结果表明，纯水介质的水蒸气等离子弧的电弧力最小，水 丙酮介质的电弧力最大；随着乙醇或丙酮浓度的增加，电弧力增大。电弧形态、气流形态与电弧力决定了电弧的切割性能，在相同条件下，水 丙酮的水蒸气等离子弧切割速度最快，而纯水介质电弧的切割速度最慢。     

等离子弧粉末推焊过程中粉末颗粒的输运行为

利用电弧物理和流体力学理论分析了等离子弧粉末堆焊过程中粉末材料在转移型等离子弧中的输运行及其主要影响因素,并以铁基合金粉末和碳化棚粉末为例,具体计算了不同特征的粉末在不同堆焊参数下的弧柱中的输运速度分布及沿弧柱横截面上的粉通量分布。计算结果表明,堆焊粉末颗粒在等离子弧空间的流动速度要比等离子流速低得多;对于同一种粉末材料来说,粒径越小,其在等离子弧柱中越容易被加速,在弧柱中的平均流速也越大;粉末的质量密度对其流速的影响与粒径颇为相似,密度越小,粉末在弧柱中的加速度和平均速度就越大。理论计算结果还表明,在电流大于１５０Ａ的转移型等离子弧柱中,粉末颗粒的轴向输运速度在弧横截面上呈“山峦形分布”,电流越大,中心山谷就越深越大。     

微束等离子电弧形态试验研究

对微柬等离子电弧的应用和特点进行了简单的总结.通过试验观测各种工艺参数改变对等离子弧形态的影响.得出结论:微柬等离子电弧形态主要受等离子气流量影响;在一定范围内增大工作电流,能够有效提高等离子电弧的有效工作长度;工作电流改变对等离子电弧温度影响较大.     

焊接工艺：熔焊

微束等离子电弧形态试验研究 对微柬等离子电弧的应用和特点进行了简单的总结。通过试验观测各种工艺参数改变对等离子弧形态的影响,得出结论：微柬等离子电弧形态主要受等离子气流量影响;在一定范围内增大工作电流,能够有效提高等离子电弧的有效工作长度;工作电流改变对等离子电弧温度影响较大。图7参4     

等离子弧粉末堆焊过程中粉末颗粒的输运行为

利用电弧物理和流体力学理论分析了等离子弧粉末堆焊过程中粉末材料在转移型等离子弧中的输运行为及其主要影响因素,并以铁基合金粉末和碳化硼粉末为例,具体计算了不同特征的粉末在不同堆焊参数下的弧柱中的输运速度分布及沿弧柱横截面上的粉通量分布.计算结果表明,堆焊粉末颗粒在等离子弧空间的流动速度要比等离子流速低得多;对于同一种粉末材料来说,粒径越小,其在等离子弧柱中越容易被加速,在弧柱中的平均流速也越大;粉末的质量密度对其流速的影响与粒径颇为相似,密度越小,粉末在弧柱中的加速度和平均速度就越大.理论计算结果还表明,在电流大于150A的转移型等离子弧柱中,粉末颗粒的轴向输运速度在弧横截面上呈"山峦形分布",电流越大,中心山谷就越深越大.     

水冷铜阳极法测量阳极等离子电弧力径向分布

设计了一套水冷铜阳极装置,用压力传感器测量等离子弧焊阳极电弧力的径向分布情况,研究了焊接电流、离子气流量和弧长对阳极电弧力的影响规律.结果表明,阳极电弧力在电弧中心最大,随径向距离的增大而迅速减小,电弧力作用半径可以认为等于约束喷嘴出口半径;随焊接电流和离子气流量的增大阳极电弧力显著增大,电弧力作用半径变化不大;而弧长对阳极电弧力的影响不大;测量结果表明,等离子弧焊电弧力传统经验公式忽略电流对电弧力的影响是有一定缺陷的.     

反极性弱等离子弧堆焊基本特性的分析

对反极性弱等离子弧堆焊基本特性进行了研究,分析了反极性弱等离子电弧的能量密度在不同气体流量和气体含量下的变化规律、电弧压力径向分布特性、电弧的热特性、反极性弱等离子弧的燃烧稳定性及静特性等特点.结果表明,反极性弱等离子弧具有较均匀的电弧压力,弧底部的电压径向分布、电流径向分布和阴极斑点的分布三者一致,均呈凹形分布,阴极斑点能量约占电弧有效能量50%,有90%以上的电流分布在内圆直径10 mm的圆环区,通过保护气流可以控制能量密度.反极性弧的阴极雾化作用有效地改善了堆焊金属与基体金属的结合状况.这就使得反极性弱等离子弧成为异种材料堆焊领域中一种理想的热源.     

气流再压缩等离子弧焊接工艺初步探究

等离子弧焊接在中厚板焊接领域具有重要的应用前景.自主设计搭建了气流再压缩等离子弧焊接系统,开展了气流再压缩等离子弧焊接新工艺试验研究.通过焊接过程监测系统分析焊缝成形,温感扫描图可以比较准确的反映实际焊缝成形.针对8 mm厚的304不锈钢,焊接电流为150 A时,常规等离子弧焊接熔深为6.53 mm;气流再压缩等离子弧焊接可以完全熔透工件,且正面焊缝和背面焊缝成形良好.结果表明,相同电流条件下,与常规等离子弧焊接相比,气流再压缩等离子弧焊接电弧电压升高;气流再压缩等离子弧焊接可以提高焊接熔透能力.     

熔焊

20084096等离子焊接电弧流场数值分析/王健…//焊接.-2008(2):27~31以直流正极性等离子焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用有限元分析14软件ANSYS对二维稳态下轴对称等离子焊接电弧进行了数值分析,得到了焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征。从等离子弧电流密度及离子气流场角度揭示了等离子电弧高热特性的原因。分析了等离子电弧的电场特性、离子气和保护气的流场特性以及不同焊接电流、离子气流量对电弧特性的影响。分析结果表明,离子气流量与电弧力成线性关系,保护气流量的选择导致的涡流大小影响电弧稳定性。图9表1参620084097继电保护设备柜体的螺栓焊接/王青阳//电焊机.-2008,38(2):74~75现在柜体表面大多采用静电喷涂,板面对螺栓焊接质量要求很高。采用螺栓闪光电阻焊代替焊条电弧焊焊接螺栓,其可靠性高,焊后对板面无烧伤,且能够提高产品质量、降低成本、提高功效。经试验证实完全可以满足产品质量要求。图1表420084098基于LabVIEW脉冲焊接过程稳定性评估系统/王卫彬…//电焊机.-2008,38(1):20~22GMAW-P焊接过程的稳定性对焊接质量有重要...     

熔焊

20084096等离子焊接电弧流场数值分析/王健…//焊接.-2008(2):27~31以直流正极性等离子焊接电弧为对象,依据磁流体动力学理论构建电弧的数学模型,运用有限元分析14软件ANSYS对二维稳态下轴对称等离子焊接电弧进行了数值分析,得到了焊接电弧的温度场、速度场的形态分布特征。从等离子弧电流密度及离子气流场角度揭示了等离子电弧高热特性的原因。分析了等离子电弧的电场特性、离子气和保护气的流场特性以及不同焊接电流、离子气流量对电弧特性的影响。分析结果表明,离子气流量与电弧力成线性关系,保护气流量的选择导致的涡流大小影响电弧稳定性。图9表1参620084097继电保护设备柜体的螺栓焊接/王青阳//电焊机.-2008,38(2):74~75现在柜体表面大多采用静电喷涂,板面对螺栓焊接质量要求很高。采用螺栓闪光电阻焊代替焊条电弧焊焊接螺栓,其可靠性高,焊后对板面无烧伤,且能够提高产品质量、降低成本、提高功效。经试验证实完全可以满足产品质量要求。图1表420084098基于LabVIEW脉冲焊接过程稳定性评估系统/王卫彬…//电焊机.-2008,38(1):20~22GMAW-P焊接过程的稳定性对焊接质量有重要...     

工艺参数对焊接等离子弧的影响

基于双区域近似电弧模型的理论,研究了工艺参数对喷嘴出口处转移型焊接等离子弧的影响,给出了喷嘴出口处等离子电弧的伏安特性曲线,以及在不同离子气流速和喷嘴直径的条件下,电弧的弧柱半径及压力随焊接电流变化的曲线,并与试验数据进行比较,比较结果表明,计算结果与试验测量值吻合良好。同时还分析了喷嘴直径、钨极内缩量以及离子气流速在相应的焊接电流下对等离子弧功率与电弧力的影响,并绘出曲线图。研究结果表明,对于中小电流规范下的转移型等离子弧焊接,采用双区域近似电弧模型来研究喷嘴出口处等离子弧的特性是可行的,该模型计算简便,可为得到高质量等离子弧焊接的设计及生产提供理论基础。     

脉冲微束等离子弧焊电弧的能量分布特征

为了研究脉冲微束等离子弧焊电弧在不同脉冲电流参数下的上升沿和下降沿过程中能量分布特征及其动态变化规律,采用高速摄像机对不同脉冲参数下的脉冲微束等离子弧焊的动态电弧进行瞬时捕捉拍摄。通过对光辐射强度的分析,将微束等离子弧电弧划分为靠近喷嘴的高亮区,靠近工件的次高亮区和两者之间的低亮区,并在此基础上讨论脉冲参数对电弧的能量分布及其动态分布特征的影响规律。研究结果表明:影响电弧三个特征区域亮度变化的脉冲参数主要有峰值电流、基值电流、占空比以及频率。峰值电流越大,占空比越小,频率越大,近峰值电流时刻电弧三个特征区域的亮度越亮,而近基值电流时刻电弧三个特征区域的亮度变化要考虑热滞后性的影响。     

高气压环境等离子弧行为与工艺研究

等离子弧切割技术因其高效稳定的工艺优势被广泛应用于工业领域.文中以空气等离子弧为研究对象,通过COMSOL Multiphysics软件建立了喷嘴结构的二维轴对称有限元数学模型,并对电弧磁流体模型进行了优化.基于磁流体动力学和电弧等离子体理论,选用等离子平衡放电多物理场接口,并确立了空气等离子电弧模型的控制方程和边界条件,实现对电弧模型的编译求解.仿真结果表明,在引弧电流一致的条件下,随着环境压力的增加,电弧在温度分布和速度分布上均呈现收缩的态势.基于3 MPa高压焊接试验舱,搭建了高压环境等离子弧切割实验系统,通过对气路和非高频引弧电路的优化设计,实现了环境压力为0.1～0.7 MPa的稳定起弧.并基于此开展了高压梯度下的等离子弧切割实验,并结合切割质量指标研究了环境压力对等离子弧电离行为的影响.     

不同参数钢和铝TIG焊电弧光谱辐射分析

通过调整焊接参数,对不同焊接参数下(弧长、电流、气流量),钢(直流正接)和铝(直流反接)TIG焊电弧的光谱分布信息进行了采集,研究不同焊接参数下焊接电弧光谱信息的变化规律.结果表明,钢TIG焊过程中,不同谱段辐射强度会随弧长增加而增加,但在弧长较长时与较短时变化规律不同;其中线谱较少区域与弧长变化之间的线性度最好;辐射随焊接电流的增加成正比增加;在气流量较大时,随气流量变化不明显,气流量较小时存在明显影响.铝在TIG焊中,随弧长变化,光谱辐射强度没有明显变化;辐射随焊接电流的增加成正比增加;在气流量较大时随气流量变化不明显,气流量较小时存在明显影响.     

钨极氦弧焊接电弧的数值分析

以钨极氦弧焊接电弧为研究对象,根据磁流体动力学理论和局部热动态平衡假设,构建静止电弧的三维数学模型,通过求解质量、动量、能量、电场和磁场方程,得到了电弧形态的分布情况。所得计算结果与试验情况相当吻合,并与钨极氩弧焊接进行比较。同时,对等离子速度场以及电弧压力和电流密度进行了数值计算;文中进一步分析了不同电流和弧长对电弧温度、等离子速度和阳极电流密度的影响。结果表明,钨极氦弧焊对提高阳极的热输入有利,但钨极氦弧焊的电弧在轴向上的速度梯度大,压强梯度大,致使其电弧不稳定。     

铝合金Plasma-GMAW-P复合焊接电弧特性及熔滴过渡行为

研究了Plasma-GMAW复合焊接过程中的电弧特性以及熔滴过渡行为。结果表明,不同电流的等离子弧通过改变GMAW电弧的导电以及受力状态来影响GMAW电弧形态以及熔滴过渡行为。等离子弧电流较小时,GMAW电弧的等离子流效应对GMAW电弧形态影响显著,基值时期的GMAW电弧基本沿焊丝轴线燃弧,峰值时期由于在焊接方向上同时受到方向相反的2个力而被压缩,熔滴所受的等离子流力以及等离子流力垂直向下的分力因此增加,对熔滴过渡的促进作用增强,熔滴更易从焊丝脱落。等离子弧电流增加,氛围中金属蒸气增多,电荷流效应对GMAW电弧的影响增强,基值时期GMAW电弧偏向等离子弧方向燃弧,由于焊接电弧存在热惯性,MIG电弧在峰值时仍偏向等离子弧,熔滴所受等离子流力垂直向下的分力因此减小,熔滴脱离焊丝的时间增加。     

旁路耦合微束等离子弧焊熔滴过渡特性分析

使用高速摄影采集不同旁路电流、送丝速度和离子气流量下旁路耦合微束等离子弧焊的熔滴过渡图像,研究了熔滴过渡过程,并采用静力平衡理论,分析了熔滴所受的主要作用力。结果表明,当焊接总电流一定时,随着旁路电流的增大熔滴过渡频率随之减小,熔滴尺寸随之增大,旁路电弧对熔滴过渡起阻碍作用;其它参数不变的情况下,熔滴过渡频率随送丝速度的增大先增大后减小,随离子气流量的增大而增大。当焊丝在等离子弧边缘熔化时,重力是促进熔滴过渡的主要作用力,且由于斑点力在水平方向上的分力大于电磁力在水平方向上的分力,熔滴呈排斥过渡;当焊丝在等离子弧中心熔化时,等离子流力是促进熔滴过渡的主要作用力。     

微束等离子弧焊电弧温度场的数值模拟

建立了微束等离子弧三维有限元模型,考虑了阴极钨棒以及喷嘴的约束,采用ANSYS软件对微束等离子弧的温度场进行了数值模拟,比较了不同焊接电流以及不同阴极端面形状对电弧温度场的影响,并通过光谱检测计算对电弧端面温度场分布进行了试验验证。研究结果表明,在焊接电流为2 A,离子气体流量0.5 L/min的工艺条件下,微束等离子弧焊时在靠近阴极端部电弧的温度达到了15 000 K,电弧端面温度场的光谱检测计算结果与模拟结果一致;在电流较大以及阴极端面较小的情况下,微束等离子弧的最高温度得到了提高。