文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:103631
穿孔等离子弧焊接传热过程的数值分析*
胡庆贤,武传松,陈茂爱
(山东大学材料连接技术研究所, 济南,250061)
(Tel: 0531-88392711, Email: ******@sdu.)
摘要:穿孔等离子弧焊接传热过程对焊接质量有决定性影响。本文针对穿孔等离子弧焊接的工艺特点,基
于小孔内等离子弧的质量和动量守恒以及小孔壁面上的力学平衡条件,建立了小孔形状的数学模型。在确
定小孔形状与尺寸的基础上,将体积热源的作用区域与小孔尺寸相关联。应用这一基于小孔形状的组合式
体积热源,对穿孔等离子弧焊接传热过程进行有限元分析。数值模拟结果表明,所建模型较准确地反映了
穿孔等离子弧焊接的实际情况,计算出的等离子弧焊缝形状与实验结果吻合良好。
关键词:穿孔等离子弧焊接,传热过程,小孔形状,熔池,数值分析
0 前言
穿孔等离子弧焊接与传统的电弧焊工艺相比,具有更优秀的工艺品质,例如,熔深大,
接头装配要求低,热变形小,适合于中厚板的高效焊接[1]。与其它两种高能量密度焊接方法
(激光焊和电子束焊)相比,穿孔等离子弧焊接工艺在设备造价、维护、操作复杂程度及焊
枪运动灵活性等方面,都具有明显优势[1,2]。然而,在穿孔等离子弧焊接过程中,熔池和小
孔的稳定性差,对焊接工艺参数的变化比较敏感,获得良好接头质量的合理规范参数范围窄,
可调裕度小,这些问题制约了该工艺在工业中的大量应用[2,3]。在穿孔等离子弧焊过程中,
焊接传热过程与熔池-小孔行为是影响焊接工艺稳定性以及焊接质量的关键因素。因此,对
穿孔等离子弧焊接传热过程进行数值分析,对于深入了解其物理机制并优化焊接工艺,具有
重要的理论意义和实用价值。
对于穿孔型的焊接工艺,其传热过程十分复杂。对其进行数值模拟,从建模的角度来看,
主要有两种途径:一是从小孔形成的物理过程出发,试图建立小孔与熔池一体化的数理模型。
由于小孔形成的物理过程非常复杂,不得不做出某些简化假设,预先把小孔的形状假设为圆
柱形[4,5]或圆锥形[6,7]。其实质是在预设小孔的条件下分析熔池形状以及周围的温度分布。二
是从宏观的传热过程出发,将重点放在如何建立合适的体积热源分布模式以便反映小孔的影
响;不涉及小孔的形成,但将小孔热和力的影响体现在恰当的体积热源分布模式上[8-10]。本
研究首先建立穿孔等离子弧焊接小孔的简化数理模型,在确定小孔形状与尺寸的基础上,将
体积热源的作用区域与小孔尺寸相关联;应用这一基于小孔形状的组合式体积热源,对穿孔
等离子弧焊接传热过程进行数值分析。
2 控制方程与定解条件
图 1 为运动电弧作用下穿孔等离子弧焊接过程示意图。在焊接过程中,等离子弧沿着 y
方向以速度v0 移动, x y,, z 为三维移动坐标系的三个方向。
*国家自然科学基金资助项目()
图 1 穿孔等离子弧焊接过程示意图
穿孔等离子弧焊接过程中涉及到熔化、凝固、流体流动、传热、蒸发、辐射等众多物理
过程。为了简化起见,本研究暂时不考虑熔池中的流体流动,将小孔的影响作为一个组合式
体积热源来处理,着重考察与该体积热源相联