等離子弧焊接熔池流動特性的研究-

1、北京力學會第18屆學術年會論文集:流體力學等離子弧焊接熔池流動特性的研究趙 揚(北京工業(yè)大學,100124摘要:穿孔型等離子弧焊是主要的高能密度焊接方法之一,其能量高度集中,可直接穿透中厚板工件,實現(xiàn)單面焊雙面成形。本文以豎板等離子弧焊接為物理模型,采用數(shù)值模擬的方法對穿孔型等離子弧焊接中熔融金屬的流動特性進行了研究,得到了焊接過程中熔化金屬的流動特性。關鍵詞:穿孔等離子弧焊接,流動過程,數(shù)值模擬一、 引言等離子弧焊(PAW能量高度集中、電弧力強,能直接穿透被焊工件,實現(xiàn)單面焊接雙面成形;焊縫深寬比大,焊接質量好,在造船、航空、航天以及軍事工業(yè)等領域有著廣泛的應用和廣闊的發(fā)展前景1。穿孔型等離

2、子弧焊廣泛應用于中厚板金屬材料的焊接加工。按照在焊接過程中有無形成小孔,可將等離子弧焊接方法分為穿孔型等離子弧焊接和熔入型等離子弧焊接2。本文研究豎板穿孔型等離子弧焊接過程中的熔化金屬的流動特性,在豎板等離子弧焊接過程中,熔池中熔化金屬在電磁力、表面張力、重力等作用下流動,隨著焊炬的遠離,溫度降低,凝固而形成焊縫。研究熔化金屬的流動、凝固特性,對提高焊接質量;優(yōu)化焊接工藝;防止焊接缺陷有重要的意義。二、 數(shù)值模擬過程2.1 模型建立物理模型是豎板等離子弧焊接,示意如圖1所示。建立了如圖2所示的一個簡化的模型,正面區(qū)域尺寸為30mm×10mm×40mm。背面槽的前后截面半徑分

3、別為9mm和5mm。前面大塊區(qū)域為空氣;后面的槽的頂端為熔化金屬流體的入口,從槽中流出的熔融金屬將沿金屬壁面流動;靠近槽的壁面為金屬壁面,這里取金屬為鋁。劃分網(wǎng)格如圖3所示。 圖1 豎板等離子弧焊接3圖2 模型示意圖圖3 模型網(wǎng)格示意圖北京力學會第18屆學術年會論文集:流體力學2.2 數(shù)值模擬 圖4 計算到1.8s 時液態(tài)鋁流動軌跡 圖5 計算到2.6s 時液態(tài)鋁流動軌跡 圖6 計算到2.6s 時中心剖面的液態(tài)鋁流動軌跡2.3 結果分析分別取粘度值為0.3、0.8、1.3kg/m s 的鋁熔體進行計算,在近壁面0.5mm 處取一條直線,調用線上的速度和壓強值,見圖7、8。在速度線圖上可見:隨著

4、粘度的增加,流動速度降低,在流動到槽底部時混合相有速度突變;壓強方面:在槽中流動時,隨粘度增加,壓強增加。沿壁面流動時,小粘度時有較大的壓力變化。 圖7 不同粘度的速度線圖 圖8 不同粘度的壓強線圖三、 結論通過模擬可以比較準確地預測焊接過程中的熔融金屬的流動過程,由得到的計算結果可知,鋁熔體的粘度增加,會使流動速度降低,且速度的波動減小,有利于控制熔化金屬的流動過程;在壓強方面,比較小得粘度時會有較大的壓強變化,對流動的穩(wěn)定性不利,因此,對鋁合金材質實施增粘措施有利于提高焊接質量。參 考 文 獻1 馬立. 等離子弧焊接熔池流場與溫度場三維數(shù)值模擬.碩士論文. 天津:天津大學,20062 李陽,董再勝,孫麗榮. 穿孔型等離子弧焊接研究現(xiàn)狀. 內