基于数学模型的等离子弧焊接动态热源分析

通过建立等离子弧焊接熔池的三维数学模型,并以小孔动态演变过程与热源模型之间的相互耦合作用为基础,研究熔池内部的传热和流动过程,并由此建立出热源的动态模型。小孔形状尺寸可以通过体积流函数法得到,同时可建立小孔形状与热源模型之间的耦合关系。得到等离子弧焊接的温度场、流场和小孔的动态演化规律后,实验验证了焊接横断面熔池形状尺寸和小孔的穿孔形状尺寸的理论结果。     

穿孔等离子弧焊接热场和流场的数值模拟

考虑熔池和小孔的耦合作用,建立了穿孔等离子弧焊接热过程的三维瞬态模型.采用焓孔隙度法处理了凝固熔化过程中相变潜热以及动量损耗问题.基于流体体积函数法（VOF）对小孔界面实施追踪.对等离子弧焊从小孔形成到穿孔的瞬态演变行为、熔池流场的动态变化过程进行了数值模拟.开展了穿孔等离子弧焊接试验,对数值模拟结果进行了试验验证.结...     

受控脉冲PAW过程小孔动态变化的数值模拟

受控脉冲穿孔等离子弧焊接(PAW)过程中,小孔形状随焊接电流动态变化,经历形成—长大—缩小—闭合的变化过程.本文在对受控脉冲PAW瞬态温度场进行数值模拟的基础上,通过分析焊接熔池表面的受力状态,建立了小孔形状的模型,考虑了盲孔(小孔深度小于工件厚度)和穿透小孔2类情况.对焊接熔池内三维小孔在一个脉冲周期内的变化过程进行了数值计算.进行了受控脉冲PAW工艺实验,验证了穿孔持续时间的数值分析结果.     

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.     

K-PAW准稳态过程小孔与熔池动态行为的数值模拟

基于流体动力学原理,同时考虑电弧压力、表面张力、电磁收缩力、浮力和重力等因素影响,建立了随小孔深度增加热力作用二次变化的三维瞬态计算模型.利用上部双椭球体下部锥体的组合式体积热源描述等离子电弧对焊接工件的热作用,提出了可以维持小孔稳定的"孔内固体搅动式"计算方法.为了提高计算效率,建立了相对焊缝纵截面对称的计算区域;计算过程利用流体体积函数(VOF)法追踪小孔边界,基于FLUENT软件对穿孔型等离子弧准稳态焊接过程进行了数值模拟,得到了准稳态焊接过程中小孔、熔池及流场的动态变化行为,分析了穿孔型等离子弧焊接(K-PAW)准稳态过程的稳定性,探讨了影响小孔稳定的工艺因素,最后进行了计算模型的验证实验.结果表明,在设定的焊接工艺参数下,3.0 s之后焊接过程达到准稳态,准稳态焊接过程中小孔前壁熔池较薄,平均厚度为0.6 mm,且小孔前壁有一定倾斜现象,使得背面小孔中心相对焊接中心向后偏移,焊接不同时刻偏移量在0.46~0.97 mm之间波动.在准稳态焊接过程中熔池内存在稳定的逆时针涡流,计算所得的背面小孔宽度与实验结果吻合良好.     

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.     

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．     

穿孔等离子弧焊接弧与熔池的耦合模拟及正交分析

针对穿孔等离子弧焊接工艺,建立了定点焊的二维轴对称非稳态数理模型,描述高温流动的电弧与工件熔池的耦合输运过程,通过数值模拟获得了电场、磁场、流场与温度场的演变规律.模拟焊缝熔合线与实验结果吻合较好,验证了数学模型的合理性.研究结果表明:W阴极尖端附近的电流密度与温度是最高的;等离子弧在工件上部呈现出"钟形",而在中心轴线处因进入小孔呈细长的"锥形";高速Ar气等离子体冲击到小孔壁面时速度急剧降低,小孔内出现高压区和Ar气等离子体的返流现象;熔池内流动与传热的综合作用使焊缝熔合线呈倒"喇叭形".进一步对焊接的操作参数及焊枪结构参数进行了影响因素的正交试验模拟.极差分析表明,焊枪的结构因素比焊接操作参数更重要,即对电极间距、电极内缩量、喷嘴孔径需予以重点考虑,以获得良好的焊缝形状.     

激光穿孔点焊接瞬态过程数值分析

考虑工件表面等离子体作用，建立了小孔和熔池传热与传质耦合的穿孔点焊数值分析模型. 采用随小孔形状变化的自适应热源模型，热源形态依小孔形状变化而实时改变. 模型考虑了蒸发现象所引起的质量转换和能量损失，利用焓–孔介质法处理焊接过程动量损耗. 主要考虑液态金属蒸发所带来的反冲压力、表面张力和液体静压力并通过流体体积方程计算小孔壁面. 结果表明，小孔形成直至穿孔过程都可能产生向上和向下的飞溅、焊瘤和余高. 激光的瑞利散射、工件表面等离子体的热效应，激光束反射和等离子体膨胀作用，使得工件上/下的焊缝宽度比中间略大. 模拟计算值与试验结果比较，二者在形状和尺寸基本吻合.     

PAW+TIG电弧双面焊接小孔形成过程的数值模拟

综合考虑影响等离子弧小孔形成的等离子流力、重力、表面张力等力学因素，建立了等离子电弧＋钨极电弧（PAW＋TIG）双面焊接时小孔形成过程的数学模型，并与焊接传热的控制方程耦合，采用数值模拟技术，定量分析了小孔形成的动态过程，根据数值分析结果，将小孔的形成过程分为开始焊接到熔透，熔透到开始穿孔，开始穿孔到小孔形态稳定三个阶段，熔池的最小跨距可作为小孔建立的评价指标。小孔的形成是热、力共同作用的结果。