不锈钢厚板K-PAW三维瞬态温度场的数值模拟

采用复合三维锥体热源模式,针对小孔等离子弧焊接工艺条件,建立了适合于K-PAW焊接不锈钢0Cr18Ni9厚板三维动态焊接热过程的数学模型和物理模型。利用所建立的模型,综合考虑材料的热物理性能参数、相变潜热与温度的非线性关系,计算了K-PAW熔池形状及三维温度场的动态演变,并将温度场的数值计算结果同实验结果进行了比较,表明上、下表面的熔池宽度及熔合线在焊件内部的走向计算结果与实测结果吻合较好,证明复合三维锥体热源模型能够较好地反映K-PAW电弧的热流密度分布。

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，3．0s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0．6mm，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0．46～0．97mm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．

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.

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.结果表明,计算得到的流场数量级符合实际,而且得到的熔合线走向与试验结果基本吻合.

先进等离子焊接与切割技术研究现状

通过对国内外穿孔等离子弧焊接、等离子-MIG复合焊接、激光-等离子复合焊接与等离子切割技术的研究现状分析,得到以下结论:穿孔型等离子弧焊适合在厚板焊接中做打底焊,且国内外都将精力集中在等离子弧机理研究上,如等离子弧热场、流场及小孔成型过程的数值模拟;等离子-MIG、激光-等离子复合焊接是研究的热点,在设备、工艺、机理上都有了发展,其铝合金、不锈钢焊接接头性能优良;等离子切割在厚板切割中具有优势,其切口质量好、变形小、切割厚度大、成本低、效率高等,是传统的火焰切割及激光切割无法相比的,在船舶、压力容器、重型机械中具有广阔前景。