等離子弧焊接熔池流動特性的研究-

1、北京力學(xué)會第18屆學(xué)術(shù)年會論文集:流體力學(xué)等離子弧焊接熔池流動特性的研究趙 揚(北京工業(yè)大學(xué),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(jìn)行了研究,得到了焊接過程中熔化金屬的流動特性。關(guān)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(qiáng),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(zhì)量好,在造船、航空、航天以及軍事工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和廣闊的發(fā)展前景1。穿孔型等離

2、子弧焊廣泛應(yīng)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(yuǎn)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(zhì)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30mm10mm40mm。背面槽的前后截面半徑分別為9mm和5mm。前面

3、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(xué)會第18屆學(xué)術(shù)年會論文集:流體力學(xué)2.2 數(shù)值模擬為簡化計算,本文引入如下假設(shè):氣液界面無相變;流體為牛頓流體;流動狀態(tài)為層流;不考慮傳質(zhì)、傳熱。設(shè)置初始條件:入口速度為v=0.003mm 、鋁熔體的熱物性參數(shù),密度2291kg/m 3,動力粘度0.8Pa.s ,表面張力系數(shù)0.07N/m 。利用Fluent 軟件里的多相流模塊中的VOF 模型進(jìn)行計算,所得的結(jié)果可以較好地預(yù)測

4、熔化金屬的流動軌跡,為進(jìn)一步在加入凝固模型后預(yù)測焊縫形貌提供研究基礎(chǔ)。如圖4、5、6所示: 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(jié)果分析分別取粘度值為0.3、0.8、1.3kg/m s 的鋁熔體進(jìn)行計算,在近壁面0.5mm 處取一條直線,調(diào)用線上的速度和壓強(qiáng)值,見圖7、8。在速度線圖上可見:隨著粘度的增加,流動速度降低,在流動到槽底部時混合相有速度突變;壓強(qiáng)方面:在槽中流動時,隨粘度增加,壓強(qiáng)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(qiáng)線圖三、 結(jié)論通過模擬可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測焊接過程中的熔融金屬的流動過程,由得到的計算結(jié)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(qiáng)方面,比較小得粘度時會有較大的壓強(qiáng)變化,對流動的穩(wěn)定性不利,因此,對鋁合金材質(zhì)實施增粘措施有利于提高焊接質(zhì)量。參 考 文 獻(xiàn)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(xué),20062 李陽,董再勝,孫麗榮. 穿孔型等離子