（材料加工工程专业论文）等离子焊接气体保护效果数值模拟研究.pdf

r t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ep r o t e c t i v ee f f e c t so fp l a s m a a r cw e l d i n g b y l im i n g b e ( h u b e ia u t o m o t i v ei n d u s t r yi n s t i t u t e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g mt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r r e s e a r c h e rz h a n gr u i h u a a p r i l ，2 0 11 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：加l 年y j fo 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： j 匆 矽嘶罕 日期：沙，j 年占月c oe 1 日期：。f 声与d 日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i i i 第1 章绪论1 1 1 引言一1 1 2 等离子焊接数值模拟的研究现状2 1 2 1 等离子焊接电弧的数值模拟2 1 2 2 等离子焊接熔池的数值模拟3 1 3 等离子焊接过程数值模拟热源模型的发展5 1 4 等离子焊接枪体结构设计研究进展9 1 5 研究等离子焊接气体保护效果的意义与目的1 0 1 6 本文的研究内容1 1 第2 章p h o e n i c s 简介1 2 2 1p h o e n i c s 软件的结构12 2 1 1q 1 模块1 3 2 1 2g r o u n d 模块13 2 2p h o e n i c s 的模拟过程1 3 2 3p h o e n i c s 边界条件的处理1 4 2 4p h o e n i c s 软件适用性1 4 第3 章等离子焊接气体保护效果数值模拟的数学与物理模型一1 5 3 1 控制方程与边界条件1 5 3 2 物理模型1 6 第4 章等离子焊接气体保护效果的数值模拟1 9 4 1 模拟过程19 4 2 保护气体流量对保护效果的影响1 9 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 4 3 离子气与保护气比例对保护效果的影响一2 6 4 4 保护罩位置对保护效果的影响3 0 4 5 喷嘴与工件之间的距离对保护效果的影响3 5 4 6 枪体结构对保护效果的影响3 9 4 7 刀、结4 3 第5 章总结与展望4 5 参考文献4 7 致j 射5 3 附录a 攻读学位期间发表的论文5 4 附录bq 1 的结构5 5 硕士学位论文 摘要 等离子焊接焊缝深宽比大，能直接穿透被焊工件，实现单面焊双面成形，焊 接质量好，在造船、航空航天等众多领域有着广泛的应用。焊枪是等离子焊接的 关键技术，是保证焊接质量的基础，但是国内等离子焊枪的设计依然停留在模仿 或经验设计的阶段，科学性不高，用此方法设计的焊枪技术含量低，稳定性较差， 高质量的焊枪依然需要进口。本文针对苏州华焊科技有限公司提供的不同结构的 等离子焊枪，采用数值模拟的方法模拟了焊枪喷嘴的气体保护效果，模拟了保护 气与离子气流量及比例、喷嘴与工件之间的距离、保护气罩位置、焊枪喷嘴的结 构等参数对保护效果的影响，得出了各个参数变化时流场状态的变化规律。模拟 结果可为等离子焊接气体保护参数制定及其焊枪的设计提供理论指导。计算机模 拟辅助焊枪结构设计( c o m p u t e rs i m u l a t i o na s s i s tt h ed e s i g no f w e l d i n gt o r c h ) 的 方法还可以适用于等离子喷涂、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等一切气体保护 加工方法的枪体结构设计。 关键词：等离子焊枪：保护气体：流场；数值模拟；p h o e n i c s 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 a b s t r a c t p l a s m aa r cw e l d i n gh a st h ec h a r a c t e ro fh i g hd e p t h t o w i d t hr a t i oa n dg o o d w e l d i n gq u a l i t y , t h ew o r k p i e c ec a nb ep e n e t r a t e dd i r e c t l yb yt h i sw a y t h i sm e t h o d c a na c h i e v et h er e s u l to fo n e s i d ew e l d i n gw i t hb a c kf o r m a t i o n s o ，t h i sm e t h o dh a s w i d ea p p l i c a t i o n si nm a n ya r e a ss u c ha ss h i p b u i l d i n ga n da e r o s p a c ei n d u s t r y w e l d i n g t o r c hi st h ek e yt e c h n o l o g yo fp l a s m aa r cw e l d i n g ，i t st h eb a s i so fa c h i e v i n gp e r f e c t w e l d i n gq u a l i t y t h ed e s i g no fp l a s m aa r cw e l d i n gt o r c hs t i l ls t a y si nt h ei m i t a t i o no r e m p i r i c a ls t a g ei no u rc o u n t r y , t h i sm e t h o di sn o ts c i e n t i f i ce n o u g h t h et o r c h d e s i g n e db yt h i sm e t h o di sl o w - s k i l l e d ，a n dt h eh i g hq u a l i t yw e l d i n gt o r c hs t i l ln e e d s t ob ei m p o r t e d o nt h eb a s i so ft h ep l a s m aa r cw e l d i n gt o r c hp r o v i d e db ys u z h o u a h a n dl t d ，t h es h i e l d i n gg a sp r o t e c t i v ee f f e c to ft h en o z z l eo ft h et o r c hw a ss i m u l a t e d b yt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ei n f l u e n c eo ff l u xo fs h i e l d i n gg a s ，t h e r a t i oo fp l a s m ag a sa n ds h i e l d i n gg a s ，d i s t a n c eb e t w e e nt h en o z z l eo ft o r c ha n d w o r k p i e c e ，p o s i t i o no fs h i e l d i n gg a sc u pa n ds t r u c t u r eo ft h en o z z l eo nt h ef l o wf i e l d w a ss i m u l a t e d t h ec h a n g i n gr e g u l a r i t yo ft h es t a t eo ff l o wf i e l dw i t ht h ec h a n g eo f t h e s ep a r a m e t e r sw a ss u m m a r i z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tp r o v i d e ds o m et h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ef o r m u l a t i o no ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g no f w e l d i n gt o r c h t h em e t h o do f c o m p u t e rs i m u l a t i o na s s i s tt h ed e s i g no fw e l d i n gt o r c h c a na l s ob e u s e df o rt h et o r c hd e s i g no fp l a s m as p r a y , g a st u n g s t e na r cw e l d i n ga n dg a sm e t a la r c w e l d i n ge ta 1 k e yw o r d s ：p l a s m aa r cw e l d i n gt o r c h ；s h i e l d i n gg a s ；f l o wf i e l d ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；p h o e n i c s 硕士学位论文 图1 图1 图 图 图 图 图2 图2 图 图 图 图 图3 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图 图 图 图 插图索引 l 熔透型及小孔型等离子焊接原理图l 2 高斯分布热源模型5 3 双椭球热源模型【3 0 1 6 4 旋转g a u s s 曲面体热源模型7 5 准稳态热源模型9 6 三重气体等离子弧焊焊枪结构1 0 1p h o e n i c s 的基本结构一1 2 2g r o u n d 的运行示意图1 4 1 等离子枪a 喷嘴剖面图1 6 2 等离子枪b 喷嘴剖面图1 6 3 等离子枪c 喷嘴剖面图1 7 4 等离子枪c 中的送丝口一1 7 5 等离子枪a 的物理模型示意图1 8 1 保护气流量为4 l m i n 时的流场2 1 2 保护气流量为6 l m i n 时的流场2 1 3 保护气流量为8 l m i n 时的流场2 2 4 保护气流量为l o l m i n 时的流场一2 2 5 保护气流量为1 2 l m i n 时的流场2 3 6 保护气流量为1 4 l m i n 时的流场2 3 7 保护气流量不同时不同截面上的速度变化( i = l 、5 、9 ) 2 4 8 保护气流量变化对工件表面气体流动速度的影响2 5 9 保护气速度沿轴线方向的变化2 6 1 0 离子气与保护气流量比例为1 ：4 时的流场2 7 1 1 离子气与保护气流量比例为1 ：6 时的流场2 8 1 2 离子气与保护气流量比例为1 ：8 时的流场2 8 1 3 离子气与保护气流量比例为1 ：1 0 时的流场2 9 1 4 不同保护气与离子气流量比例对工件表面气体流动速度的影响3 0 1 5l = 2 5 m m 时的流场3 1 1 6l = l 咖时的流场3 2 17l = o m m 时的流场3 2 1 8l = l m m 时的流场3 3 m 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 图4 1 9 保护气出口速度随保护气罩位置的变化3 4 图4 2 0 保护气罩位置对工件表面气体流动速度的影响3 4 图4 2 l 喷嘴与工件之间的距离为3 m m 时的流场3 5 图4 2 2 喷嘴与工件之间的距离为5 m m 时的流场3 6 图4 2 3 喷嘴与工件之间的距离为7 m m 时的流场3 7 图4 2 4 喷嘴与工件之间的距离为l o m m 时的流场3 7 图4 2 5 喷嘴与工件之间距离对工件表面流场速度的影响一3 8 图4 2 6 枪b 在x y 面的流场3 9 图4 2 7 枪c 在x y 面的流场4 0 图4 2 8 枪c 在x z 面的流场4 1 图4 2 9 枪c 的流场在不同截面上沿y 轴的速度变化4 1 图4 3 0 枪c 流场在工件表面的速度变化4 2 i v 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 “发展高效、节能、环保型的焊接技术，并适应2 1 世纪新型工程材料发展趋 势的焊接工艺、设备和耗材”是未来我国焊接产业的发展趋势，进入2 1 世纪以来， 高效、节能、环保成为热门话题之一【l 】。等离子焊接的出现顺应了这一趋势，该 方法符合高效、节能、环保的要求。 1 9 4 0 年，钨极惰性气体保护焊( t u n g s t e ni n e r tg a s a r cw e l d i n g ，t i g ) 在美 国诺斯罗普飞机制造公司试验成功。5 0 年代，等离子弧焊接在此基础上发展起来， 它是一种利用钨极和被焊金属之间的压缩电弧进行焊接的熔化焊方法【2 】。相比于 钨极氩弧焊( g a st u n g s t e n a r cw e l d i n g ，g t a w ) ，等离子焊接( p l a s m a a r ew e l d i n g ， p a w ) 在熔深、焊接接头准备及热变形等方面有较大的优势【3 ，4 】。由于等离子弧焊 具有能量高度集中、电弧力强等特点，能直接穿透被焊工件，实现单面焊双面成 形，焊缝深宽比大，焊接质量好。作为一种高质量的焊接方法，在造船、航空航 天等众多领域有着广泛的应用1 5 - 8 】。 等离子弧焊接原理如图1 1 所示。在压缩喷嘴机械压缩、热收缩及磁收缩的 作用下，阴极与阳极之间的自由电弧被压缩成高温、高电离度、高能量密度及高 焰流速度的电弧。 熔透型 l 孵 l 么 勰 缪、，7，溯 图1 1 熔透型及小孔型等离子焊接原理图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff u s i o nt y p ea n dk e y h o l em o d ep l a s m a 甜cw e l d i n g 等离子焊接中气体保护效果的好坏对焊接质量有非常重要的影响，在焊接过 程中影响气体保护效果的因素有：保护气流量、保护气与离子气比例、保护气与 工件之间的距离、保护气罩的位置、焊枪喷嘴的结构等。由于受等离子弧极端温 度条件及弧光干扰的限制，采用实验的方法研究气体保护效果较为困难，数值模 拟的方法则为该研究提供了一个途径。此外，国内对等离子焊枪结构的设计还停 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 留在模仿或经验设计的阶段，与发达国家还有一定的差距，数值模拟的结果可为 等离子焊枪的结构设计提供一定的理论依据。 本文拟用数值模拟的方法模拟气体流量、等离子焊枪喷嘴与保护气罩的结构 等参数对保护气体流场的影响，分析工艺及结构参数影响保护效果的机理，总结 各个参数变化时流场的变化规律。其计算结果可以为焊枪的结构设计提供理论依 据，也可为等离子焊接保护气流量、喷嘴与工件之间的距离等工艺参数的确定提 供指导。 1 2 等离子焊接数值模拟的研究现状 随着计算机技术的飞速发展，等离子弧焊接过程的数值模拟成为焊接过程计 算机模拟的一个重要方向。焊接电弧的热能特性和力学特性直接影响着熔池和母 材表面的热流分布、熔池的热传递和熔池内液态金属的流动，从而强烈影响着熔 池的几何形状、焊缝的成形和质量及焊接接头的力学性能【5 】。因此，等离子焊接 过程数值模拟多体现在两个方面：( 1 ) 等离子焊接电弧的数值分析；( 2 ) 熔池中 流场、热场的模拟。 1 2 1 等离子焊接电弧的数值模拟 焊接等离子弧的物理过程十分复杂，是一个热、电、磁、力相互作用的过程， 包括热量的传导、辐射、对流以及电磁的相互作用，因而描述弧柱部分通常是一 组复杂的微分方程，解决起来较为复杂【5 】。 1 9 7 8 年，s r a m a k r i s h n a n 等人【9 】根据流体守恒控制方程建立了大电流下的一 维近似电弧数学模型。为了求得方程组的解析解，采用了大量的假设，虽然计算 结果与实际情况有较大差别，但是实现了动量与能量方程的耦合计算。 k c h s u 等人【lo 】首次根据流体守恒控制方程和麦克斯韦方程组对整个电弧区 域建立了二维模型，也就是考虑了电磁力、热传递、气体流动等的耦合作用，模 型中流场与电磁场被赋予不同的计算区域，电磁场中没有考虑阴极形状的影响。 该模型还给出了电弧模拟计算中最关键的边界条件电弧电磁场计算区域入口 处的电流密度分布。 j m c k e l l i g e t 等人【1 l 】建立了二维非转移型约束等离子体电弧模型，该模型需 要在约束喷嘴处设定温度和速度分布( 模型中未包括约束喷嘴) 。非转移型电弧建 立在钨极与喷嘴之间，因而该模型忽略了喷嘴内的电磁力作用。r w e s t h o f f 与j s z e k e l y 1 2 】将喷嘴部分包含进了所建立的电弧模型中，分析结果表明，电磁力对电 弧的温度和速度分布有非常重要的影响，作者还研究了旋转气流对电弧特性的影 响，表明旋转气流使电弧向轴向扩展，从而缩短了通电距离，电弧电压也随之降 低，而且随旋转强度的增加，电弧有效长度也减小。 2 硕士学位论文 当电弧边界条件都是轴对称时，可以将电弧简化为二维模型。但实际的等离 子弧焊接在某些情况下并非轴对称，如焊接热源相对工件运动等。此时采用二维 模型则不能十分准确的描述电弧的状态，而三维模型则能克服这一缺点。j j g o n z a l e z 等人【l3 】建立了三维非轴对称电弧模型，比较了当等离子气以旋转方式注 入和等离子喷涂工艺有粒子注入两种情况下二维模型与三维模型模拟结果的不 同，结果表明在某些情况下用二维模型并不能像三维模型那样准确的反映实际情 况。 殷凤良等人【6 】建立了等离子弧焊静止电弧的三维有限元数学模型，考虑了等 离子气、保护气的作用，模拟了电弧的温度场、速度场、压力以及阳极工件表面 的电流密度等，并与t i g 焊进行了比较。计算结果表明，等离子弧在喷嘴约束作 用下温度明显高于t i g 焊电弧，且等离子体流速和电弧压力明显增大。通过计算 马赫数、有效粘度和动力粘度之比，认为等离子体电弧处于层流不可压缩状态。 殷凤良等人【1 4 】根据流体的质量、动量、能量守恒方程，建立了穿孔等离子弧 焊接过程中的等离子电弧三维数学模型，用磁矢量法求解磁场问题，模拟了等离 子电弧的温度分布，以便研究等离子弧焊中电弧反翘现象，总结出了影响电弧反 翘的因素，其中影响焊接速度和焊接电流是影响电弧反翘的根本原因，而小孔的 状态受到这两项参数的影响，小孔的状态又决定了电弧反翘的强弱。 王健、雷玉成等人【l5 】以直流正极性等离子焊接电弧为对象，依据磁流体动力 学理论建立了电弧的二维稳态轴对称模型，分析了电弧的温度场、速度场的分布， 总结出工作气体在电弧外形成的低温气体套对电弧的保温作用是等离子弧高温的 一个重要原因，电流密度的提高也是导致电弧温度提高的原因。此外，分析了等 离子电弧的电场特性、离子气和保护气的流场特性以及不同焊接电流、离子气流 量对电弧特性的影响，分析结果表明，离子气流量与电弧力成线性关系，保护气 流量的选择导致的涡流大小影响电弧稳定性。 1 2 2 等离子焊接熔池的数值模拟 在等离子弧焊接熔池内发生的主要物理变化有液体金属的流动，熔池中热量 的转移，熔池内溶质的扩散与迁移，金属的熔化，蒸发与凝固和自由表面上的热 转移等，对这些物理现象的模拟都能归结到对等离子弧焊接熔池的流体流动模拟 中【5 1 。 yf h s u 与b r u b i n s k y b 6 提出了等离子焊接的二维有限元模型，该模型计算 了固定行程等离子焊接二维状态下的熔池流动及温度场分布，但未考虑表面张力 的影响且对熔池形状进行了简化。 h gf a n 与r k o v a c e v i e 【l7 j 针对固定电弧小孔等离子弧焊的流体流动和热传 导建立了二维瞬态层流数学模型。采用了高斯分布热源模型，作者考虑了表面张 3 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 力、电磁力和浮力对熔池流体流动的影响，并考虑了电弧压力对熔池自由表面变 形的影响，计算结果显示了工件在未熔透和全熔透情况下熔池的变化过程，以及 小孔从逐渐产生到逐渐消失的过程。 董洪刚【l8 】等人针对固定电弧等离子弧焊接过程建立了二维稳态热传导模型， 在模型中考虑了工件表面与周围环境换热及辐射散热对整个焊接热过程的影响， 并且将焊接电流在流经工件时产生的焦耳热作为热能方程的源项进行计算，采用 p h o e n i c s 软件对工件中的温度场以及电流密度的分布进行了计算。 r gk e a n i n i 【1 9 】对等离子弧焊接过程建立了三维准稳态有限元模型，计算了 各种条件下小孔等离子焊接熔池形状、温度场和流场，认为影响熔池流动的主要 推动力为表面张力和等离子流的剪切力。该模型中没有考虑电磁力和熔化潜热的 作用，并假设电弧热传递只发生于熔池表面的小孔部分，而在熔池表面的其余部 分以及工件的上下固态表面，辐射和对流热传递均被忽略，也没有考虑蒸发的影 响。 孙俊生等人 2 0 , 2 1 】综合考虑影响等离子弧小孔形成的等离子流力、重力、表面 张力等力学因素，建立了等离子电弧加钨极电弧( 州+ t i g ) 双面焊接时小孔形 成过程的数学模型，并与焊接传热的控制方程耦合，定量分析了小孔形成的动态 过程。 武传松等人【2 2 j 根据小孔等离子弧焊接的工艺特点，考虑了等离子弧对熔池的 “挖掘 作用，提出了一种三维锥体热源模型，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。 刘望兰、胡绳荪等【2 3 】采用三维静态锥体热源对穿孔等离子弧焊接过程进行数 值模拟，研究了三维锥体热源作用下焊接熔池流体流场、熔池内金属的流动方式 以及熔池流体运动速度的变化，并与高斯热源条件下的模拟结果做了比较。 李力、胡绳荪等【2 4 j 建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分 析模型，以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、焊接速度等焊接工 艺参数对其影响情况。综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、 材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化凝固相变潜热等对 熔池温度场的影响。采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动 力学和传热分析，得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况。 王怀刚等【8 】根据小孔等离子弧焊接的工艺特点，建立了相应的热源模型和焊 接热场的分析模型，验证了一般的双椭球体热源和三维锥体热源不能准确描述小 孔等离子弧焊接热过程，提出了改进型的三维锥体热源模型，可以较准确地计算 焊缝的正面和背面熔宽，但熔合线走向的计算精度仍较低，在此基础上，考虑等 4 硕士学位论文 离子弧对熔池的热力作用，建立了符合小孔形态的热源模型，对小孔等离子弧焊 接热场进行了有限元分析。 王小杰、武传松等【2 5 1 利用l e v e l s e t 理论与方法追踪小孔界面的演变过程， 建立了等离子弧定点焊熔池与小孔的数学模型，对不锈钢试件等离子弧定点焊熔 池的穿孔过程进行数值模拟，获得了多种工艺条件下熔池与小孔形状和尺寸的动 态变化数据。 1 3 等离子焊接过程数值模拟热源模型的发展 ( 1 ) r o s o n t h a l 的解析模型 早期对电弧的数学研究仅局限在解析方法上r 7 1 。在2 0 世纪3 0 年代提出的经 典r o s o n t h a l 的解析模式中，热源按作用的焊件几何形状的不同而被简化为点状、 线状或面状热源，这种以集中热源为基础的计算方法，假定热物性参数不变，不 考虑相变与结晶潜热，对焊件几何形状简单归为无限的( 无限大、无限长、无限 薄) ，计算结果对远离熔合线的较低温度区( 5 0 0 ) 较准确，但对f z 及h a z 误差很大，而这部分正是和焊缝性能相关的关键部位。但此模型由于计算方法简 单，工程上仍得到广泛应用2 6 。2 引。 ( 2 ) 高斯正态热源模型 图1 2 高斯分布热源模型 f i g 1 2g a u s s i a nd i s t r i b u t e dh e a ts o u r c e 焊接时，电弧是通过一定的作用面积将热量到工件，在作用面上电弧的热量 分布为中心多而边缘少，t w e a g a r 将这种分布近似的用高斯函数来描述【2 9 1 ，其 模型如图1 2 所示，其表达式为： 5 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 式中：q 为热源的有效功率； 心的距离。 ( 1 1 ) 厂为a 点与加热斑点中 采用高斯正态分布热源模拟小孔等离子焊接时，未考虑等离子弧热源沿工件 厚度方向的作用机理，计算结果会与小孔等离子焊接实际焊接情况有较大的差距。 ( 3 ) 双椭球热源模型 以高斯正态热源模型为基础，人们又相继提出了双椭圆热源模型、半球形热 源模型及椭球形热源模型等多种热源模型。在实际焊接过程中，随着热源的移动， 熔池的前半部分温度梯度分布较陡，而后半部分的温度梯度分布较缓。在用椭球 形热源分布函数计算时不能十分准确的反映这一情况，为了更好地反映出实际焊 接过程中移动热源的前端和后端不同的温度梯度分布现象，j g o l d a k t 3 0 】提出了双 椭球热源模型，如图1 3 所示。模型前后均为1 4 椭球，分别用力、，；表示总的 输入功率在熔池前、后两部分的分配指数，且厅何= 2 。 图1 3 双椭球热源模型1 3 0 i f i g 1 3d o u b l ee l l i p s o i dh e a ts o u r c ec o n f i g u r a t i o n 前半部分椭球内热源分布为： 拈彤印，= 孵a b c n 唧怿一等一半学) 2 ， 后半部分椭球内热源分布为： 如川列，= 磐e x p 一等一等一_ 3 z + v 厂( r - t ) 2 ) 3 ， 6 硕士学位论文 式1 2 、1 3 中的a 、b 、c 可取不同的值，它们相互独立。在焊接不同材质时， 可将双椭球分为4 个1 8 的椭球瓣，每个可对应不同的a 、b 、c 值。 ( 4 ) 旋转高斯曲面体热源模型 吴娃等人【3 l 】在考虑了高能束焊接特殊能量分布方式的基础上，对以往的热源 模型进行了改进，提出了新的旋转g a u s s 曲面体热源模型，它是将g a u s s 曲线 围绕其对称轴旋转而形成的曲面所围成的曲面体，如图1 4 所示。其表达式为： 其中： 如舻h 帅炫p 爵j 如啦葙 死h il il q 2 可 ( 1 4 ) 式中：c 。为热源形状集中系数；q 为热源功率；日为热源高度；r o 为热源开口断 面半径。 图1 4 旋转g a u s s 曲面体热源模型 f i g 1 4 r o t a r y g a u s sb o d yh e a ts o u r c em o d e l 7 $ d _ 1 - i、，i、 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 ( 5 ) 三维锥体热源模型 武传松等人【2 2 】根据小孔等离子弧焊接的- 1 - 艺特点，考虑等离子弧对熔池的 “挖掘 作用和热流沿工件厚度方向的分布，提出7 - - 维锥体热源模型，其数 学表达式为： 绋忆) = 谛9 r l u 司i e 3f 习南e x p ( _ 等 ( 1 7 ) 式中：瑁为电弧功率有效系数；u 为电弧电压；i 为焊接电流；，为工件上某点与 焊接热源中心的距离；砌为高斯参数；磊，勿为热源位置参数；r e ，n 为热源作用 工件上、下表面的热流作用半径。 武传松等人【3 2 】在分析t - - 维锥体热源模型( t h r e e d i m e n s i o n a lc o n i c a lh e a t s o u r c e ，t d c ) 在小孔等离子焊接模拟中的不足，提出了改进型的三维锥体热源 模型( m o d i f i e dt h r e e d i m e n s i o n a lc o n i c a lh e a ts o u r c e ，m t d c ) ，并用于小孔等 离子焊的数值分析，其热能密度方程为： 嘶z ) _ 筠三e x p ( 一等 m 8 ， 其中： 止a一22(口h(口+一z6,)胎ln2(+h乙+z,)-z心,ln2)一z,j)lnl n z 一咖：h ( 1 9 ) 一2 口( 口一6 胤日+ 乙+ 乞) 一乙，一日卜6 2 ”“7 口= j 丑 (110)l n z e l n z f 、 b ：r jl n z e - r el n z j ( 1 1 1 ) i n z e 。i n z i 此外，武传松等人还提出了准稳态等离子焊接热源模型( q u a s i s t e a d ys t a t e p a wh e a ts o u r c e ，q p a w ) ，如图1 5 所示。该模型考虑了小孔的喇叭口型分布 及热量密度沿工件厚度方向的衰减，模拟结果显示该模型适用于小孔等离子焊接 的准稳态热场分析，如该模型表达式如下： ( 1 ) 工件的上半部分，即( z 。一巩) z z 。： 北班辅去e x p ( 一厕3 9 2 m p 珊) ( 1 1 2 ) 其中： y o ( z ) = 馐+ 氆警 ( 1 1 3 ) 石( z ) 2 商f 丽 ( 1 1 4 ) 8 硕士学位论文 ( 2 ) 工件的下半部分，即幺z ( z 。一d h ) ，其数学表达式与式1 8 1 1 0 相同。 图1 5 准稳态热源模型 f i g 1 5s c h e m a t i co fq p a w m o d e l 1 4 等离子焊接枪体结构设计研究进展 x 等离子焊接的压缩电弧主要是靠等离子枪喷嘴的机械压缩、热收缩及磁收缩 作用产生的，因此焊枪的结构尤其是喷嘴的结构对压缩电弧的性能有决定性的作 用。设计良好的枪体应当具有高的换能效率、良好的电弧引燃性能和电弧稳定性、 优异的自身冷却和密封性、适当的压缩比和紧凑的结构【3 引。 我国的等离子焊接技术始于上世纪7 0 年代，但发展速度缓慢，在枪体的结构 设计方面仍然停留在模仿或经验设计的水平。在枪体的性能分析方面也远远的落 后于发达国家。国内张义顺等人已经开始对等离子切割、喷涂枪内部的冷却水流 场进行了数值模拟，取得了一定的成果。 发达国家在枪体的结构设计及性能分析方面已经做了大量的工作，一些比较 先进的等离子枪已经得到了广泛的应用。美国m e t - c o 公司所制造的等离子喷涂 枪体，其外径仅为4 0 m m 左右，内部已经采用非对称迷宫型结构，且可靠性较高。 美国c o b a l t 公司生产的等离子堆焊枪，其枪体直径仅为国内同功率枪体的2 3 左 右，但性能却更稳定。瑞典e s a b 公司生产的微束等离子焊接设备可以焊接0 1 m m 厚度的不锈钢箔，国内设备一般仅能焊接0 3 m m 以上的厚度。荷兰p h l i p s 公司生 产的等离子熔化极枪体采用反极性设计，可以焊接厚度在2 0 m m 左右的铝板，国 内目前尚未在生产中应用这种方法。 美国n a s a 宇航局马歇尔宇航中心开发了三重气体等离子弧焊( t e r n a r yg a s p l a s m aa r cw e l d i n g ) t 4 3 1 ，与常规等离子弧焊相比，这种新方法在焊枪上作了重大 革新：钨极为管状空心结构( 如图1 6 ) ，中间通入辅助惰性气体，从钨极中间 通入的气体与环绕钨极的离子气联合作用，有助于得到更挺直、更稳定的等离子 弧，采用这种焊枪进行焊接，焊缝和h a z 的宽度减小了，熔深的可控性加大了， 9 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 在相对低的热输入条件下可以焊接更厚的材料。 辅助离子气 图1 6 三重气体等离子弧焊焊枪结构 f i g 1 6t e r n a r yg a sp l a s m aa r cw e l d i n gt o r c h 1 5 研究等离子焊接气体保护效果的意义与目的 等离子焊是一种优质、高效的焊接方法，是获取高质量焊缝优先选择的焊接 方法之一，有着广泛的应用和良好的前景。而等离子焊枪的优劣是保证焊接质量 的重要因素之一，但是国内等离子焊枪的设计依然停留在模仿或经验设计的阶段， 科学性不高，且用此方法设计的焊枪技术含量低，稳定性较差。与发达国家相比， 国内对等离子加工技术枪体的结构设计十分落后，其发展速度远远滞后于等离子 加工技术的应用，在一定程度上阻碍了等离子加工技术的应用。 利用数值模拟的方法对焊枪的保护效果进行分析，可以方便、高效的找出焊 枪设计或工艺选择的不足，可以依据分析结果改善气体保护工艺参数或改进焊枪 的结构设计，改变以往焊枪设计中“设计制造试验一改进”效率低下的问题，可 以直接根据数值模拟结果提出改进意见，并根据改进意见进行再设计，极大的降 低成本。此外，采用p h o e n i c s 软件还可以模拟枪体内部气体与冷却水的流场， 模拟的结果也可为焊枪结构设计提供指导。鉴于以上优点，计算机模拟辅助焊枪 结构设计( c o m p u t e rs i m u l a t i o na s s i s tt h ed e s i g no f w e l d i n gt o r c h ) 的方法可以广 泛的应用于钨极氩弧焊、c 0 2 气体保护焊以及等离子切割、喷涂、焊接枪的枪体 结构设计。 l o 硕士学位论文 1 6 本文的研究内容 本文将根据苏州华焊科技有限公司提供的三把不同结构的等离子焊枪，采用 p h o e n i c s 软件模拟保护气流量、离子气与保护气流量比例、喷嘴与工件之间的 距离、保护气罩的位置、焊枪喷嘴结构等参数不同时的流场状态，分析各个参数 影响保护效果的机理，总结各个参数影响保护效果的规律，为等离子弧焊工艺及 焊枪的结构设计提供一定的理论依据。 为了便于模拟结果的后处理分析，模拟过程中需要对p h o e n i c s 软件进行二 次开发，在其接口程序中编制相应的程序，使得软件在计算的过程中同时生成可 以被其他后处理软件( t e c p l o t ) 处理的文件。 等离子焊接气体保护效果数值模拟研究 第2 章p h o e n ic s 简介 本文在等离子气体保护效果数值模拟中采用了p h o e n i c s 软件，该软件是由 英国皇家学会d b s p a l d i n g 教授及4 0 多位博士推出的用于计算流体流动、传热 和传质的通用软件，是世界上第一款投入市场的计算流体力学通用软件。可以模 拟传热、流动、燃烧等过程。可以解决由部分控制方程、传热方程、质量和动量 传输方程组成的方程组。该软件采用有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 来实现控制方程的离散化，差分格式可以在给定范围内任意选择，对于强烈耦合 的流场和压力场，采用s i m p l e s t 算法来求解其代数方程组。该软件也具有较强 的前处理和后处理能力，便于使用者对其计算结果进行直观地阅读和分析。 2 1p h o e nic s 软件的结构 r e s u i 丁 p o s t - p r o ce s s o r 图2 1p h o e n i c s 的基本结构 f i g 2 1t h eb a s i cs t r u c t u r eo fp h o e n i c s 整个程序由前处理( s a t t l l i t e ) 、求解器( e a r t h ) 和后处理模块构成， 分别完成问题的定义、模拟计算、结果后处理等工作，如图2 1 所示。前处理 s a t t l l i t e 是一个数据准备单元，它读取q 1 模块中对问题定义的数据并创建 e a r t h 能够阅读的数据文件。求解器e a r t h 对所建的模型进行处理。而后处理 i ， 1 2 硕士学位论文 可以调用v r v i e w e r 、p h o t o n 、a u t o p l o t 等不同的后处理程序得到不同的 结果处理文件。通过v r v i e w e r 和p h o t o n 的处理，可以得到彩色轮廓图、 矢量图和范围分割图等；a u t o p l o t 可以对数据进行描点连线和比较； 2 1 1q 1 模块 通过对v r v i e w e r 界面的操作，可以对问题进行简单的定义，如设置计 算域；定义计算物体的尺寸、形状、位置和属性；定义i n l e t 和o u t l e t 的参 数；定义网格参数；定义时间步长；选择层流或紊流模型等。通过上述定义产生 一个q 1 文件，它是一个人工可识别的数据文件，通过它表达研究者的意图，如 软件需要运行的程序、如何进行与