等離子弧焊接過程的數(shù)值模擬.pdf

1、等離子弧焊具有電弧能量密度高、陽極電弧力作用強的特點，可以實現(xiàn)單道焊雙面成形，當(dāng)陽極電弧力足夠大時還可以形成小孔效應(yīng)，所以具有較高的焊接生產(chǎn)效率。但影響等離子弧焊接過程的因素較多，特別是穿孔等離子弧焊中的小孔狀態(tài)不易保持，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。如何提高等離子弧焊接過程的穩(wěn)定性一直是人們致力要解決的問題。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在焊接研究中得到了廣泛應(yīng)用。本文對等離子弧焊接過程進行數(shù)值模擬研究，為確定等離子弧焊接工藝、

2、提高焊接過程穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。 首先，根據(jù)流體動力學(xué)的質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒以及麥克斯韋方程組，建立了二維等離子弧焊電弧的數(shù)值分析模型。因為所建模型包括了一部分約束噴嘴和鎢極，所以該模型可以反映焊槍結(jié)構(gòu)和鎢極形狀等對等離子電弧的影響。在確定合適的邊界條件后，利用基于有限體積法的流體分析軟件，選用SIMPLEC算法求解所建電弧模型，可以得到等離子弧焊電弧溫度場、流場、電磁場等。模擬研究了焊接電流、離子氣流量、弧長、鎢極內(nèi)縮

3、量等工藝參數(shù)對電弧特性的影響，以及鎢極形狀和噴槍結(jié)構(gòu)等對電弧的影響。另外，本文建立了湍流狀態(tài)下的等離子電弧模型，并將湍流等離子電弧模型與層流等離子電弧模型計算結(jié)果進行了比較。根據(jù)湍流模型得到的平均有效粘性系數(shù)與動力粘性系數(shù)之比和層流模型得到的馬赫數(shù)，認(rèn)為等離子電弧一般處于層流不可壓縮狀態(tài)。 其次，在分析等離子弧焊接工藝特點的基礎(chǔ)上，分別建立了三維熔透型靜止電弧和運動電弧作用下的熔池數(shù)值分析模型。在模型中，等離子電弧作用于工件上表

4、面的熱流密度和電流密度分布為上述等離子電弧模型計算結(jié)果。通過粘性系數(shù)的設(shè)置來解決固液同一化問題，即當(dāng)溫度在熔點以下時給定一個較大的粘性系數(shù)。并采用大型有限元分析軟件ANSYS求解得到了熔池溫度場與流場分布情況。 最后，在考慮等離子弧焊接小孔存在的情況下，建立三維非軸對稱等離子電弧模型，以研究電弧反翹現(xiàn)象。研究結(jié)果表明，電弧反翹與小孔尺寸之間存在一定的關(guān)系，隨小孔尺寸的增大電弧反翹變?nèi)?；電弧軸線與小孔軸線之間存在一定的偏差是形成電