（材料加工工程专业论文）paw焊接熔池小孔流场与热场动态行为的数值分析.pdf

l j j 东大学博士学位论文 p a w 焊接熔池小孔流场与热场动态行为的数值分析 摘要 在穿孔等离子弧焊接( 州) 过程中，小孔的形成与维持涉及复杂的物理机 制，其动态演变过程( 形成、维持、闭合) 对焊缝熔深大小以及焊接质量有着决 定性的影响。熔池中出现小孔时，小孔与熔池相互影响相互作用，小孔形状和尺 寸的改变，直接影响到熔池中的流体流动和传热过程；而熔池液态金属流场与热 场也反过来影响小孔的形状与尺寸。目前，对等离子弧焊接熔池与小孔相耦合的 流动与传热问题，研究的还很不深入。通过数值分析，研究p a w 焊接熔池与小 孔的交互作用以及流场与热场的特点，对于优化焊接工艺参数和过程控制，提高 p a w 工艺的裕度和过程稳定性，具有重大的理论意义和工程实用价值。 采用不锈钢试件开展了穿孔等离子弧焊接工艺试验。利用图像采集系统测试 了不同工艺条件下工件背面的小孔形状与尺寸，焊后制作了焊缝横截面的金相照 片，获得了焊缝轮廓形状和尺寸。探讨了工艺条件对穿孔过程和焊缝成形的影响 机制。 在深入分析等离子弧熔池流体流动以及传热规律的基础上，考虑熔池与小孔 的耦合、交互作用，建立了三维瞬态熔池和小孔热场与流场的数学模型。模型中 采用双椭圆的电弧压力分布模式，考虑了电磁力、浮力、重力以及表面张力的影 响。采用流体体积函数法( v o f ) 计算小孔的形状与尺寸，利用焓孔隙度法处理凝 固熔化过程中相变潜热以及动量损耗问题。控制方程采用有限体积法进行离散， 采用p i s o 算法求解离散的控制方程组。对f l u e n t 软件进行了二次开发，实现 了穿孔等离子焊接过程的数值分析。 针对穿孔等离子弧焊接的工艺特点，建立了随小孔深度动态调整的组合式体 积热源模式。考虑等离子弧焊接电弧的挖掘作用而形成的倒喇叭状的焊缝形貌， 体积热源模型上部分采用双椭球体热源，下部分采用锥体热源。计算过程中，在 每个时间步后，根据小孔的深度变化对组合式体积热源的有关分布参数加以动态 调整，描述了随小孔变深等离子弧沿工件厚度方向的热作用。 利用建立的三维瞬态熔池和小孔热场、流场的数学模型，采用动态的组合式 体积热源模式，分别对6 m m 和8 m m 板厚的不锈钢工件进行了穿孔弹州焊接数 值模拟，获得了等离子弧焊接过程中从熔池出现、d , g l 形成、流场与热场演变、 山东大学博士学伊论文 工件熔透、穿孔等动态过程的基础数据，展示了小孔穿孔前后熔池流体流动规律， 以及穿孔前后小孔表面压力的变化情况。 将计算得到的工件背面小孔形状尺寸以及焊缝横断面与实验测试结果进行 了对比，结果表明，两者基本吻合，验证了所建立的模型在不同工艺参数下的适 应性。 关键词：穿孔等离子弧焊接，熔池，小孔，流场，温度场，组合式体积热源模式， 数值分析 山东大学博士学位论文 n u m e r i c a l a n a l y s i so fd y n a m i c h e a tt r a n s f e ra n d f l u i df l o wi np a ww e l dp o o la n dk e y h o l e a b s t r a c t i nk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g ，t h ef o r m a t i o na n ds u s t a i n m e n to ft h ek e y h o l e i n v o l v e c o m p l i c a t e dp h y s i c a lm e c h a n i s m s t h ed y n a m i c e v o l u t i o no fk e y h o l e ( f o r m a t i o n , s u s t a i n m e n t ，c l o s u r e ) p l a y s a l li m p o r t a n tr o l ei n d e t e r m i n i n g w e l d p e n e t r a t i o na n dw e l dq u a l i t y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nk e y h o l ea n dw e l dp o o lo c c u r s w h e nt h ek e y h o l ea p p e a r si n s i d et h ew e l dp 0 0 1 t h ec h a n g eo ft h ek e y h o l es h a p ea n d d i m e n s i o n sh a sd i r e c te f f e c to nt h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nt h ew e l dp o o l ，a n d t h el a t t e rw i l la l s oi n f l u e n c et h ek e y h o l es h a p ea n dd i m e n s i o n s u pt op r e s e n t ，t h e s t u d yo nt h ec o u p l e db e h a v i o r so fw e l dp o o la n dk e y h o l ei ss t i l lf a rf r o ms a t i s f a c t o r y t h u s ，i ti so fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oc o n d u c tn u m e r i c a la n a l y s i s o ft h ei n t e r a c t i o no fw e l dp o o la n dk e y h o l ea sw e l la st h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e r p h e n o m e n o n i tw i l ll a ys o l i df o u n d a t i o nf o ro p t i m i z i n gt h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa n d i m p r o v i n gt h es t a b i l i t yo fp a wp r o c e s s t h ep a we x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e do ns t a i n l e s ss t e e lp l a t e s i m a g ev i s i o n s y s t e mi su s e dt oc a p t u r et h eb a c k s i d ei m a g eo f t h ek e y h o l eu n d e rd i f f e r e n tw e l d i n g c o n d h i o n s t h ew e l dd i m e n s i o n sa r eo b t a i n e db a s e do nt h em e t a l l o g r a p ho f w e l d c r o s ss e c t i o n s t h ee f f e c t so ft h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ek e y h o l e f o r m a t i o na r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ei n - d e p t ha n a l y s i so ft h ef l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri np a w , at h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tm o d e lo ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nw e l dp o o la n dk e y h o l e i se s t a b l i s h e d i tc o n s i d e r st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nk e y h o l ea n dw e l dp 0 0 1 d o u b l e e l l i p t i c a ld i s t r i b u t i o no fp l a s m aa r cp r e s s u r e ，e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e ，b u o y a n c yf o r c e ， g r a v i t y , a n ds u r f a c et e n s i o na r ei n c l u d e di nt h em o d e l t h ev o l u m eo ff l u i d sm e t h o d o f ) i su s e dt ot r a c kt h ek e y h o l eb o u n d a r y t h el a t e n th e a ta n dm o m e n t u m s i n kd u e t ot h es o l i d i f i c a t i o na n dm e l t i n ga r ed e a rw i t hb ye n t h a l p yp o r o s k yt e c h n i q u e t h e f v m ( f i n i t ev o l u m em e t h o d ) i su s e dt od i s c r e t et h ec o n t r o le q u a t i o n sa n dp i s o m 山东大学博十学位论文 ( p r e s s u r e i m p l i c i tw i t hs p l i t t i n go fo p e r a t o r s ) a l g o r i t h mi s u s e dt os o l v et h e d i s c r e t i z a t i o ne q u a t i o n s af u r t h e rd e v e l o p m e n to ff l u e n ts o f t w a r ei sm a d et op e r f o r m t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nv i e wo ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fp a wp r o c e s s ，ac o m b i n e dv o l u m e t r i ch e a t s o u r c em o d e li se s t a b l i s h e d s o m eo fi t sd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r sa r e a d j u s t e d d y n a m i c a l l yw i t ht h ev a r i a t i o no ft h ed e p t ho fk e y h o l ei se s t a b l i s h e d t oc o n s i d e r b u g l e l i k ew e l dc o n f i g u r a t i o nr e s u l t e df i o mt h es t r o n gd i g g i n ga c t i o no ft h ep l a s m a a r ci nk e y h o l ep a w , t h eu p p e rp a r to fh e a ts o u r c ei sd o u b l e - e l l i p s o i ds o u r c e ，a n dt h e l o w e rp a r ti st h ec o n i cb o d ys o u r c e d u r i n gt h ec o m p u t a t i o n a lp r o c e s s ，s o m eo f d i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so ft h ev o l u m e t r i ch e a ts o u r c ew i l la d j u s ta c c o r d i n gt ot h e d e p t ho fk e y h o l e ，s ot h a ti td e s c r i b e st h et h e r m a le f f e c tv a r i a t i o nw i t ht h e k e y h o l e d e p t ha l o n gt h et h i c k n e s so ft h et e s tp l a t e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp a w p r o c e s si sc o n d u c t e do ns t a i n l e s ss t e e lp l a t e so f t h i c k n e s s6 m ma n d8 m m t h ep h y s i c a l p h e n o m e n o n , s u c h a st h ew e l dp o o l d e v e l o p m e n t ，t h ek e y h o l ef o r m a t i o n , t h ee v o l u t i o no ff l u i df l o wa n dt h e r m a lf i e l d ，t h e f u l l - p e n e t r a t i o n o ft h et e s ep l a t e s ，a n dt h ee m e r g e n c yo fa no p e nk e y h o l e ，a r e q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d t h en u m e r i c a lr e s u k sr e v e a lt h er e g u l a r i t yo ff l u i df l o wi n w e l dp o o la n dt h ep r e s s u r eo nk e y h o l ew a l lb e f o r ea n da f a ra l lo p e nk e y h o l ei s f o r m e d t h ec a l c u l a t e dk e y h o l es h a p ea tb a c k s i d ea n dt h et r a n s v e r s ec r o s s - s e c t i o no f p a ww e l d sa r ec o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s b o t ha g r e ew i t he a c h o t h e rg e n e r a l l y i ti n d i c a t e st h a t t h ed e v e l o p e dm o d e lc a nb eu s e f u lf o r d i f f e r e n t w e l d i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：k e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n g ，w e l dp o o l , k e y h o l e ，f l u i df l o wf i e l d , i v t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o m b i n e dh e a ts o u r c em o d e ln u m e r i c a la n a l y s i s 山东大学博十学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t i l l s y m b o l s v c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1 s i g n i f i c a n c e l 1 2c h a r a c t e r i s t i c s 2 1 3p a r a m e t e r s 4 1 4n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f p a w 5 1 4 1s i m u l a t i o nw i t h o u tk e y h o l e 6 1 4 2s i m u l a t i o nw i t haa s s u m p t i v ek e y h o l e 7 1 4 3s i m u l a t i o nw i t hak e y h o l e 1 0 1 5s i m u l a t i o no f o t h e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n g 1 2 1 6b o u n d a r yt r a c k i n gm e t h o d 16 1 6 1 、，r o l u m eo f f l u i d 1 6 1 6 2f r o n t t r a c k i n gm e t h o d 1 7 1 6 3l e v e ls e tm e t h o d 1 7 1 7n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d sa n dc o m m e r c i a ls o f t w a r e s 17 1 7 1n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s 17 1 7 2c o m m e r c i a ls o f l w a r e s 1 9 1 8e x i s t i n gp r o b l e m s 1 9 1 9m a i nr e s e a r c hc o n t e n t s 1 9 c h a p t e r2 k e y h o l e - p a we x p e r i m e n t 2 1 2 1e x p e r i m e n t a ls y s t e m 2 1 2 1 1w e l d i n gm a c h i n ea n dc o n t r o ls y s t e m 21 2 1 2i m a g ev i s i o ns y s t e m 2 3 2 2k e y h o l e - r we x p e r i m e n tc o n d i t i o n s 2 4 2 3k e y h o l es h a p e 2 5 2 4c r o s ss e c t i o no f w e l d s 2 6 2 5s u m m a r y 2 9 c h a p t e r 3 m o d e l i n go fh e a tt r a n s f e ra n d f l u i df l o wi n 飞k 氐k e y h o l ea n dw e l d p o o l 3 1 r v 山东大学博士学位论文 舅皇曼鼍_i | i i ii , 曼鼍皇曼曼曼邑曼皇鼍皇皇曼皇舅曼! 曼曼曼量詈曼皇量曼曼量皇曼毫舅量量曼皇曼量曼量 3 1c h a r a c t e r i s t i c l 3l 3 2c a l c u l a t e dm o d e l 3 2 3 3c o n t r o le q u a t i o n s 3 3 3 3 1e n e r g y q u a t i o n 3 4 3 3 2m o m e n t u me q u a t i o n 3 6 3 4t r a c k i n go f k e y h o l e 3 9 3 4 1c o n t i n u i t ye q u a t i o n 4 0 3 4 2m o m e n t u me q u a t i o n 4 0 3 4 3e n e r g ye q u a t i o n 4 1 3 5i n i t i a la n db o u n d a r yc o n d i t i o n s 4 1 3 6n u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s 4 4 3 6 1d i s c r e t i z a t i o nf o rf v m 4 6 3 6 2s o l v em e t h o df o rf v m 4 7 3 6 3i n t e r f a c ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d 4 9 3 6 4t i m es t e p 5 0 3 7c o m p i l ea n dl o a dp r o d a m 5 1 3 8s m n m a r y 5 2 c h a p t e r4 h e a ts o u r c em o d e la n dm e s hg r i d 5 3 4 1h e a ts o u r c em o d e lo f p a w 5 3 4 1 1c o n i c a lh e a ts o u r c e 5 3 4 1 2c o m b i n e dv o l u m e t r i ch e a ts o u r c e 5 5 4 2m e s hg r i d 5 7 4 3t h e r m a lp h y s i c sp r o p e r t i e s 5 9 4 4s u m m a r y 6 0 c h a p t e r5 a n a l y t i cr e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 6 1 5 1p r o c e s sp a r a m e t e r s 6 1 5 2c a l c u l a t e dr e s u l t sf o r6 m m 6 1 5 2 1t e s tc a s e1 ( 13 5 ) 6 1 5 2 2t e s tc a s e2 ( 14 0 ) 61 5 2 3a n a l y s i so ff l u i df l o wo f t e s tc a s e2 ( 1 4 0 ) 6 7 1 ；2 4t e s tc a s e3 ( 15 0 ) 6 9 5 2 5p r e s s u r ea n a l y s i so f k e y h o l es u r f a c e 7 4 5 3c a l c u l a t e dr e s u l t sf o r8 m m 7 7 5 3 1c a l c u l a t e dr e s u l t so ff l u i df l o wa n dh e a tt r a n s f e ri nk e y h o l ea n dw e l d p o o l 7 7 v 山东大学博十学位论文 5 3 2p r e s s u r ea n a l y s i so f k e y h o l es u r f a c e 8 2 5 4c o m p a r i s i o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a lk e y h o l es h a p e 8 5 5 4 1d e f i n i t i o no f k e y h o l ed i m e n s i o n s 8 5 5 4 2c a l c u l a t e dr e s u l t so f k e y h o l ed i m e n s i o n 8 6 5 5c o m p a r i s i o nb e t w e e nt h ec a l c u l a t e da n de x p e r i m e n t a lw e l dc r o s ss e c t i o n 8 7 5 6s u n m m a r y 9 0 c h a p t e r6 c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k 9 1 6 1c o n c l u s i o n s 9 1 6 2f u t u r ew o r k 9 2 r e f e r e n c e s 9 3 a c k n o w l e d g e m e n t s j 1 0 2 p u b l i s h e dp a p e r s 1 0 3 r e s e a r c hp r o j e c t s 1 0 4 v i 山东大学博十学位论文 口l ，a 2 ，b 彳 彳m u s h q c ：， f f x f y f ： g h 1 飓 h i t b x ，t o y k 三 三6 上肘 朋盯 ，z f ，刀6 p p 4 ( x 。y ) q ( x ，y z ) u 主要符号表 电弧压力分布参数 表面张力梯度 m u s h y 区常数 比热 电弧压力调节系数 流体体积函数 电磁力 重力加速度 锥体热源高度 组合时体积热源锥体 热源高度 熔化潜热 焊接电流 下表面平行于勉，y z 平面的切线单位矢量 热导率 板厚 蒸发潜热 金属材料潜热 蒸发率 上表面和下表面的法 相单位矢量 压力 电弧压力 内热源 焊接电压 q 。( r ) qc o 肿 q “印 q r a d i r r l ，2 r e 。r j s x s 伽s ： z e ，2 i s m , & f t n ，t 嗲 l v w u o v t ，v b e r l a r 上表面热流密度 对流热损失 蒸发热损失 辐射热损失 距离热源中心的长度 工件表面的等离子流半径 喷嘴处的等离子流半径 锥体热源分布半径 动量方程源项 锥体热源在z 坐标轴向的坐标 能量方程源项 时间 上表面平行于勉，y z 平面的切 线单位矢量 气相热导率 温度 环境温度 液相线温度 固相线温度 金属沸点 流体速度分量 焊接速度 上下表面的速度矢量 表面张力温度系数 v 瓦轴兀 l 东大学博十学位论文 x ，y t z 直角坐标系的三个 m 1 坐标轴 电流密度分布参数风 对流散热系数 厂 s t e f a n b ol t z m a r m 常数r o 热效率 液相密度 气相密度 动态粘度 辐射率 磁导率 ( 说明：1 文中每个符号在正文中第 一次出现时，都在相应位置对其所 代表的物理意义做了标注和说明。 2 正文所用到的符号很多，这里仅 列出了主要符号) v l 。+ v b 上下两部分体积热源的能量 分配系数 热膨胀系数 表面张力 熔点时纯金属的表面张力 流体速度 液体体积分数 g 仃 q 仃 刀 所 户。 占 心 山东大学博十学位论文 1 1 选题意义 第1 章引言 随着科学技术的发展、各种加工方法的进步和新型材料的应用，当今制造业 对焊接技术也提出了越来越高的要求。研发和使用优质、高效、低耗的焊接工艺 方法，成为近年来焊接技术发展的趋势【l 捌。激光焊、电子束焊和等离子弧焊都 具有比较高的能量密度，一同被归为高能量密度焊接【3 】，其焊缝深宽比大、热影 响区窄，一次性成型能力强，在中厚板加工中具有广泛的应用前景1 4 j 。 等离子弧焊接( p l a s m aa r cw e l d i n g ，耳p p a w ) 相对于普通钨极氩弧焊来说， 电弧经过了机械压缩、热收缩和电磁收缩三重压缩的作用，因此电弧能量更加集 中，能量密度可达10 9 1 0 1 0 w e r a 2 ，电弧的最高温度可达2 4 0 0 0 5 0 0 0 0 k 4 1 ，同时 射流速度也大幅度提高。对于中厚度金属板，在不填丝不开坡口的情况下，可以 实现单面一次焊双面成形，极大地提高了生产效率。而相对于激光焊和电子束焊 接来说，等离子弧焊接设备操作简单、造价成本低，而且对焊缝的装配精度要求 相对较低1 3 5 】。因此，作为一种高效的焊接方法，穿孔等离子弧焊接己应用于汽 车【6 】、飞机忉、焊接结构钢【8 1 、火甜9 1 、太空飞船【1 0 】和空间焊接【1 l 】等领域。 在穿孔等离子弧焊接( k e y h o l ep l a s m a a r cw e l d i n g ) 过程中，小孔的形成与 维持涉及到复杂的物理机制，其动态演变过程( 形成、维持、闭合) 对焊缝熔深 大小以及焊接质量有着关键影响。但是，穿孔脚州过程中，熔池中小孔的稳定性 差，对于焊接工艺参数的变化比较敏感，获得良好焊接接头质量的规范参数范围 窄、可调节裕度小【1 2 】，这些问题都制约着穿孔州在工业生产中的大量应用【”】。 因此，迫切需要对小孔涉及的物理机制及其与熔池流场与热场的相互作用进行深 入研究，来优化焊接工艺参数，提高其工艺的裕度和过程稳定性。 由于影响小孔形成的因素比较多，因此单纯通过实验方法研究小孔的形成过 程以及工艺参数对小孔成形的影响，需要消耗大量的人力物力，而且小孔的维持 对工艺参数的变化比较敏感，一些不可预知的外部因素很容易影响n d , 孑l 的产生 及其稳定性，工艺再现性差。数值分析是研究焊接物理机制的强大手段，在过去 三十年来得到很大发展【1 4 。4 6 1 。对穿孔等离子弧焊接过程进行数值模拟研究，不噎 可以降低研发成本，缩短研发周期，而且可以得到一些通过实验手段无法获取的 第1 章引言 信息，让人们在更深的层次去了解焊接过程的物理机制，更好地对焊接过程进行 优化和控制。 穿孔等离子弧焊接过程中小孔的稳定性直接决定着焊缝成形的质量，而影响 小孔稳定性的因素比较多，外部因素主要是材料的物性参数和焊接工艺条件，而 焊接过程内部因素主要就是焊接熔池中的传热和流体流动情况。因此，通过对穿 孔等离子弧焊接熔池流体流动和温度场的数值模拟，追踪小孔的产生过程，描述 小孔的动态行为，对于实现工艺参数的优化，保证焊接质量，完善穿孔等离子弧 焊接的理论知识体系，都具有十分重要的理论意义和实际应用价值。 1 2 穿孔等离子弧焊接工艺特点 1 9 5 4 年，美国u n i o nc a r b i d e 公司的r o b e r tg a t e 发现，电弧压缩之后，更加集 中，电弧温度和射流速度也大幅提高1 1 0 2 1 。由于经过压缩的自由电弧具有更高的 能量密度，因此该方法被迅速应用于焊接工业当中，被称为等离子弧焊接。如图 1 1 所示，等离子弧与普通钨极氩弧焊的区别就在于在焊枪部位增加了一个水冷 喷嘴，起到压缩电弧的作用。钨极被放置在水冷喷嘴的内部，等离子气围绕钨极 通入，保护气体由喷嘴外部的独立通道通入，起到保护熔池的作用。一般等离子 气和保护气体均采用氩气。在等离子弧焊接时，会先在钨极与喷嘴之间通过高频 电源引燃辅助电弧，将等离子气电离，然后在钨极与工件之间接通主电源，引燃 等离子弧。 2 送 图1 1 等离子弧焊接过程原理图【4 7 l f i g 1 1sc h e m a t i co fp l a s m aa r cw e l d i n gp r o c e s s 1 4 7 山东大学博士学位论文 由于受到强烈的机械压缩、热收缩和电磁收缩效应的共同作用，等离子弧具 有能量密度高和射流速度快的特点。当较高的能量密度作用在工件表面时，工件 表面温度迅速升高并达到熔点以上，形成熔池。在等离子弧压力的高速冲击下， 熔池表面形成下凹，液态金属凹面在电弧力、表面张力、重力、浮力、电磁力等 多种力的共同作用下保持平衡。随着凹陷逐渐变大，一个贯穿整个工件厚度的小 孔会形成，如图1 2 所示。随着等离子弧沿着焊接方向行走，熔池和小孔也一起 向前运动，小孔壁周围的液态金属流向熔池后方，逐渐凝固形成焊缝。 e l e c t r o d e ：f r o n t $ 1 1 r f a c e b a c k s u r f a c e 图1 2 穿孔等离子弧焊接过程示意副4 8 j f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fk e y h o l ep a wp r o c e s s l 4 8 l d 由于等离子弧能量密度大和等离子弧压力大的特点，在焊接过程中，可以以 小孔模式进行焊接，具有一些独特的优势【5 卜5 2 j ： ( 1 ) 电弧穿透力强，可以在不开坡口、不加焊丝的情况下，一次焊穿工件， 实现单道焊双面成形。减少了对填充材料的消耗。 ( 2 ) 焊缝深宽比大，焊接热影响区窄，工件变形及残余应力小。 ( 3 ) 钨夹杂的危险性降低，由于钨极位于喷嘴内部，不会接触熔池或焊丝， 同时钨极收到强烈的水冷，工作时消耗少，这些都减小了钨极对工件的污染。 3 第1 章引言 ( 4 ) 同其他高能束焊接方法( 激光焊、电子束焊) 相比，穿孔等离子焊接 设备简单，成本低，并且焊前清理方便，对错边以及电弧长度变化不敏感。 ( 5 ) 等离子弧工作特性稳定，噪音小。 与一般的钨极氩弧焊相比，穿孔等离子弧焊接过程比较复杂，控制参数比较 多，电源及电气控制线路复杂，设备费一般是钨极氩弧焊的2 5 倍。另外，工艺 参数的调节与匹配较复杂，对焊枪、喷嘴、钨极安装的要求较高。 1 3 等离子弧焊接的工艺参数 穿孔等离子弧焊接过程受到诸多工艺参数的影响，主要的工艺参数主要有： 焊接电流、焊接速度、喷嘴几何形状尺寸、钨极内缩量、钨极材料及尺寸、喷嘴 至工件的距离、等离子气流量及成分、保护气流量及成分等【4 o 】。 ( 1 ) 喷嘴几何形状尺寸 喷嘴的几何形状尺寸是获得可靠、稳定的穿孔等离子弧焊接过程的基本保证， 也是对焊接质量影响最为敏感的工艺参数。其中喷嘴的直径与孔道长度是最主要 的两个参数。 ( 2 ) 钨极内缩量 钨极内缩量是指钨极顶端至喷嘴口的距离，通常应与喷嘴孔道长度相等或略 短( 约短0 1 0 3 r a m ) ，该参数对焊缝成形、电弧穿透力都有非常大的影响。对同 一焊接过程，保持其他工艺参数不变，调节钨极内缩量可以显著的增大或者减小 熔深。 ( 3 ) 钨极材料及尺寸 铈钨具有很高的热电子发射能力，烧损程度低，而且没有放射性，因此选用 铈钨代替钍钨极作为钨极材料作为阴极。 ( 4 ) 喷嘴至工件的距离 由于电弧的挺度较高，所以焊接过程对喷嘴至工件的距离不是很敏感。但当 高度过小时，焊缝较窄，易咬边。高度过大又会影响电弧穿透力，进而影响焊缝 成形。合适的喷嘴高度一般为3 1 2 m m 。 ( 5 ) 焊接电流 焊接电流在等离子弧焊接过程中是一个重要的工艺参数。电流过小，小孔直 径过小，电弧不稳定，甚至导致小孔的消失，引起未熔透，焊缝成形差；电流过 大，小孔直径过大，会导致焊缝下塌甚至焊穿，破坏焊接过程，甚至烧坏焊枪。 4 山东大学博+ 学位论文 ( 6 ) 焊接速度 焊接速度影响焊接过程的热输入( 线能量) 。焊接速度过快会产生咬边和未 熔透，过慢会导致焊缝下塌甚至焊穿。一般满足稳定焊接的情况下，尽可能采用 较快的焊接速度，提高生产效率。 ( 7 ) 等离子气流量及成分 采用纯氩作为等离子气体。等离子气流量直接影响焊缝熔深、焊缝成形。流 量过小，等离子弧穿透力不足，导致未熔透、表面粗糙；气流过大，会形成切割。 般情况下，等离子气流量不会影响焊缝正面宽度，但对焊缝背面宽度影响较为 敏感。实际中，等离子气流量的大小应根据焊接电流、焊接速度以及喷嘴尺寸等 参数综合考虑。 ( 8 ) 保护气流量及成分 保护气体大多采用纯氩，流量一般在1 5 3 0l m i l l 。 除了以上的焊接工艺参数要选取得当之外，还要注意各个参数之间的相互匹 配。图1 3 所示为喷嘴结构、焊接速度等给定时，焊接8 m m 厚的不锈钢板时测 定的焊接电流、等离子气流量以及焊接速度直接的关系。 琴曩予气潼g a i 匐 曩- 傅蘸( _ ，- i 硒 图1 3 穿孔等离子弧焊接规范参数匹配f 4 划 ( 1 圆柱喷嘴：2 收敛扩散型喷嘴：3 加填充金属可消除咬边的区域) f i g 1 3m a t c h i n go fk e y h o l ep l a s m aa r cw e l d i n gp a r a m e t e r s 1 4 5 0 j ( 1c y l i n d e ro r i f i c e ，2d i f f u s i n go r i f i c e ，3r e g i o nw h e r