微束等离子弧焊电弧温度场的分布特征及参数影响

使用数值模拟的方法,应用ANSYS软件对微束等离子弧焊电弧温度场分布进行了计算,并且基于光谱检测和高速摄影技术对微束等离子弧焊电弧温度场的分布进行验证. 结果表明,电弧轴向温度在近钨棒处最大,距钨棒距离增加电弧温度减小;电弧径向温度在电弧中心处最大,随着径向距离增加,温度减小. 随着焊接电流的增大,电弧近钨棒端面处及其中心的温度增大. 钨棒端面半径减小,电弧近钨棒端面处及其径向中心温度增大. 归一化后数值模拟的电弧端面径向和轴向温度分布,分别与光谱检测和高速摄影电弧图像处理的电弧光辐射强度分布保持一致.     

喷嘴孔径对等离子弧焊影响的数值分析

等离子弧焊喷嘴孔径对熔池影响极大,合理的喷嘴孔径是获得良好焊接质量的前提。根据磁流体动力学理论建立压缩等离子弧焊电弧的数学模型,采用ANSYS软件对焊接电流100 A时不同约束喷嘴孔径的三维稳态等离子焊接电弧进行数值模拟,获得了其焊接电弧的温度分布、电弧轴线上等离子速度分布、阳极表面径向压力和热通量的分布形态。结果表明,约束喷嘴孔径与电弧温度、等离子速度、电弧压力和热通量成线性关系,为不同焊接工件和焊接要求下喷嘴结构设计提供了理论依据。     

等离子弧焊电弧的数值模拟

建立了等离子弧焊静止电弧的三维有限元数学模型,考虑等离子气、保护气的作用,利用ANSYS有限元分析软件对电弧的温度场、速度场、压力以及阳极工件表面的电流密度等进行了数值模拟,并与TIG焊进行了比较.结果表明,由于喷嘴的约束作用,等离子弧焊与TIG焊相比,电弧温度显著提高,焊接电流为150 A时电弧最高温度达到30 000 K.等离子弧焊的另一个显著特点是等离子体流速和电弧压力显著增大.通过计算马赫数、有效粘度和动力粘度之比,认为等离子体电弧处于层流不可压缩状态.     

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。     

等离子弧焊炬的数值模拟

根据等离子流体质量、动量及能量守恒方程和麦克斯韦方程组建立等离子孤焊炬的数学模型,通过对不同喷嘴尺寸和结构形状的等离子孤焊炬求解,得到其产生的等离子电弧轴向温度、电流密度及喷嘴出口处沿径向的温度分布.研究了喷嘴通道长、孔径、通道比和喷嘴结构时等离子弧的影响.计算结果表明:等离子弧焊炬喷嘴通道长度在一定范围内缩短,孔径越小,等离子弧的温度越高.     

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.     

不锈钢活性剂等离子弧焊焊接电弧

针对活性剂等离子弧焊焊接过程,对焊接电弧外形的变化,焊接电弧电压与活性剂之间的关系进行了研究,采用红外热像伪着色法测定了活性剂等离子弧焊焊接电弧温度场,并建立了活性剂等离子弧焊焊接电弧热流密度径向分布模型.研究结果表明,活性剂等离子弧焊焊接电弧收缩,弧尾翼消失,尾焰加大,电弧穿透力增强,电弧电压升高;活性剂等离子弧焊焊接电弧的温度分布比较紧凑,温度场外形窄,温度分布范围较集中,电弧径向温度梯度较大;电弧径向温度分布呈现正态Gauss分布模式;使用活性剂后的焊接接头性能与未使用活性剂焊接接头相当.     

电弧流场分布特征的数值分析

建立了微束等离子弧有限元模型,利用ANSYS软件对微束等离子弧的流场分布进行了数值模拟分析。结果表明,在计算时间内,从不稳定到稳定的过渡阶段,电弧纵向流场的最大流速不断地增加,最大流速出现在喷嘴附近。阴极附近与阳极附近的微束等离子弧焊电弧横端面的等离子体流向相反。     

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.     

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。     

喷嘴结构对微等离子弧输出特性影响的数值仿真与验证

通过数值模拟和试验研究相结合的方法,在考虑微等离子喷枪喷嘴结构的条件下,建立了大气压下脉冲放电微等离子弧的数值模型,重点研究了喷嘴孔径、喷嘴工件距、阴极内缩量以及电流大小对微等离子弧的影响,并通过光谱仪来表征微等离子弧作用的温度分布。结果表明:喷嘴结构对微等离子弧的形成与稳定有重要影响:在有效压缩距离点内,喷嘴孔径的减小以及喷嘴工件距离的缩近才对工件温度的提高有显著影响;一定范围内,工件的温度随电流的增大而增大;阴极内缩量对工件的温度影响不大。微等离子弧温度场的数值模拟结果与光谱仪测量结果基本一致,验证了模型的可靠性。     

变极性等离子弧焊电弧物理特性的数值模拟

基于磁流体动力学及Maxwell方程组,建立了变极性等离子电弧的三维瞬态计算模型,依据变极性等离子弧焊对铝合金板材穿孔焊接过程的物理特性,提出了随电弧极性变化的分时导电模型,通过计算得到了变极性等离子电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力的分布情况,以及电弧压力随时间的变化过程。通过实验测量了工件表面电弧中心压力,得到了不同极性时的电弧形态。结果表明:相同电流条件下,正极性时电弧温度场分布比反极性时更加分散,但正极性时电弧最高温度范围小于反极性时;反极性电弧压力和电流密度在电弧中心处均大于正极性,在径向距电弧中心一定距离处,2种极性时的电弧压力和电流密度的大小出现反转;电弧压力对焊接电流响应迅速,正极性电弧压力小于反极性电弧压力,焊接电流过零时,电弧压力会降低到较低的值,电流增加时电弧压力变化存在"过冲"现象;对实验与计算得到的变极性等离子电弧正反极性时电弧图像和工件表面电弧中心压力进行了对比,结果吻合良好。     

钨极几何特征对电弧与熔池热力行为的影响

电弧热力行为是影响液态金属流动,调控焊接质量的关键要素.利用高速摄像与数值模拟相结合的研究方法,系统分析了空心钨极与实心两种电极特征对电弧热力分布特征的影响.结果表明,焊接电流为350 A时,实心钨极焊缝呈现出深而窄的焊缝成形特征,空心钨极焊缝呈现出浅而宽的焊缝成形特征;距试板表面1 mm,实心钨极与空心钨极电弧沿水平方向的温度场和压力场均呈典型高斯分布特征,中心位置处空心钨极电弧的温度值和压力值分别为实心钨极的61.9%和23.5%;中轴线上实心钨极电弧压力分布呈U形特征,空心钨极电弧压力分布呈N形特征;构建的电弧与熔池强耦合分析模型与实际情况之间具有较好的一致性,可实现对电弧和熔池热力行为的分析与预测.     

超声等离子焊接在液压支架修复工艺中的应用

为提升液压支架修复的可靠性和经济性,对超声等离子焊接的应用效果进行了数值模拟和试验研究。根据所设计超声等离子弧焊系统的焊枪结构与焊接工艺参数建立了超声场有限元模型,基于COMSOL求解等离子气体的速度场、电弧密度场和声压场。对修复后的液压支架试样进行了显微硬度、残余应力及冲击韧性等力学性能测试。结果表明,超声波可在同等条件下将电弧压力提升20%以上,并在4 mm电弧直径内显著增强电流密度,有效减小热影响区范围和残余应力;等离子气体流速与电弧密度在靠近支架焊缝区域以近似相反的变化趋势分布,二阶特征频率振源能够在电极附近产生驻波;修复后支架的平均硬度和室温冲击吸收能量相比母材分别提升了44.6%和45.8%。     

基于Fluent模拟TIG电弧燃烧

基于纳维-斯托克斯方程组、能量守恒方程、麦克斯韦方程组建立二维轴对称TIG焊电弧模型,借助Fluent软件模拟电弧燃烧的整个过程。通过UDF命令将氩气的物理特性随温度的变化、动量方程的源项、钨极边界的电流密度分布等动态地连接到计算模型中,并通过UDS命令添加电流连续性方程。模拟的结果显示,电弧温度场呈钟罩形,电弧压力在轴向上最大,氩气的物理特性随电弧温度场变化,轴向电流密度沿轴向不断减小,径向电流密度呈高斯分布。     

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。     

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.     

变极性等离子电弧压力的径向分布

变极性等离子焊接过程中产生的电弧压力将直接影响到熔池的形态以及最后的焊缝成形,因此对其的研究有着十分重要的意义.关于电弧压力径向上的分布规律的探讨,对于电弧以及熔池的力学分析及数值模拟也具有现实的指导意义.利用U形压力计测量了不同焊接电流条件下的变极性等离子弧压力沿径向的分布,讨论了其分布规律,认为变极性等离子弧压力的径向分布仍然属于高斯分布,而不是双面指数分布.同时发现,电弧压力随着电流的增加而增长,但是增长幅度趋于缓和.     

双钨极TIG电弧-熔池传热与流动数值模拟

针对双钨极TIG电弧热源,在已建立的双钨极电弧-熔池统一的三维数学模型的基础上,以SUS304不锈钢为母材,模拟得到了双钨极TIG电弧和熔池的温度、速度、电流密度、磁通密度和电磁力等分布,模拟结果与已有的实验结果吻合良好.考虑了熔池所受浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力以及湍流效应,分析了熔池热输入的分布和熔池表面剪切力的变化,并分别比较了这几个力单独作用下的熔池流动与传热,同时结合无量纲数Pe,比较了熔池热传导和热对流的相对强弱.结果表明,双钨极电弧的非轴对称特性导致熔池表面的电流密度、热流密度、等离子流拉力和Marangoni剪切力等出现非轴对称分布,最终形成了熔池的非轴对称形貌,而熔池的发展演化对电弧行为无明显影响.与TIG电弧相比,双钨极TIG电弧的等离子流拉力明显减小.Marangoni剪切力决定不锈钢熔池的流动状态,且对流传热主导不锈钢熔池的热传递,这两者的共同作用决定熔池的传热过程,是形成不同熔池形貌的根本原因.     

基于计算机仿真的双钨极间接气体保护焊接电弧参数分布

采用计算机仿真方法、针对间接电弧的参数分布特点对双钨极间接气体保护焊进行了数值模拟研究。该焊接方法节能、高效且焊接工件的变形小,但热输入却很低。为了分析其热输入较低的原因,首先利用有限元软件建立了间接电弧的有限元模型,并计算电弧的一系列特征参数,并与实测结果进行对比。结果表明:双钨极间接电弧具有面对称特征,且电弧偏向阳极方向,呈倒钟罩形态。阴极区电弧参数均小于阳极区。与等离子弧焊和钨极惰性气体保护焊(TIG)相比,在该焊接方法中被焊工件并不与电极相连,主要靠弧柱区端部加热,该区域较低的电弧压力、热流密度和等离子体流速使得工件的热输入低,且熔深浅。