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等离子弧焊接过程的数值模拟

殷凤良  
【摘要】: 等离子弧焊具有电弧能量密度高、阳极电弧力作用强的特点,可以实现单道焊双面成形,当阳极电弧力足够大时还可以形成小孔效应,所以具有较高的焊接生产效率。但影响等离子弧焊接过程的因素较多,特别是穿孔等离子弧焊中的小孔状态不易保持,限制了其在工业生产中的广泛应用。如何提高等离子弧焊接过程的稳定性一直是人们致力要解决的问题。随着计算机技术的发展,数值模拟技术在焊接研究中得到了广泛应用。本文对等离子弧焊接过程进行数值模拟研究,为确定等离子弧焊接工艺、提高焊接过程稳定性提供理论依据。 首先,根据流体动力学的质量守恒、动量守恒和能量守恒以及麦克斯韦方程组,建立了二维等离子弧焊电弧的数值分析模型。因为所建模型包括了一部分约束喷嘴和钨极,所以该模型可以反映焊枪结构和钨极形状等对等离子电弧的影响。在确定合适的边界条件后,利用基于有限体积法的流体分析软件,选用SIMPLEC算法求解所建电弧模型,可以得到等离子弧焊电弧温度场、流场、电磁场等。模拟研究了焊接电流、离子气流量、弧长、钨极内缩量等工艺参数对电弧特性的影响,以及钨极形状和喷枪结构等对电弧的影响。另外,本文建立了湍流状态下的等离子电弧模型,并将湍流等离子电弧模型与层流等离子电弧模型计算结果进行了比较。根据湍流模型得到的平均有效粘性系数与动力粘性系数之比和层流模型得到的马赫数,认为等离子电弧一般处于层流不可压缩状态。 其次,在分析等离子弧焊接工艺特点的基础上,分别建立了三维熔透型静止电弧和运动电弧作用下的熔池数值分析模型。在模型中,等离子电弧作用于工件上表面的热流密度和电流密度分布为上述等离子电弧模型计算结果。通过粘性系数的设置来解决固液同一化问题,即当温度在熔点以下时给定一个较大的粘性系数。并采用大型有限元分析软件ANSYS求解得到了熔池温度场与流场分布情况。 最后,在考虑等离子弧焊接小孔存在的情况下,建立三维非轴对称等离子电弧模型,以研究电弧反翘现象。研究结果表明,电弧反翘与小孔尺寸之间存在一定的关系,随小孔尺寸的增大电弧反翘变弱;电弧轴线与小孔轴线之间存在一定的偏差是形成电弧反翘的必要条件,在适当的焊接速度下,可以形成电弧轴线与小孔轴线之间的偏差。对单探针有源电弧反翘检测电路也进行了模拟研究,结果表明,附加电阻上的电压信号与小孔尺寸间存在规律性关系,其电压随小孔尺寸的增加呈减小趋势。根据模拟研究结果,设计了一种两探针的有源电弧反翘检测电路,可以检测出小孔的尺寸状态及变化情况。


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