等离子弧焊接熔池流动特性的研究-

1、北京力学会第18届学术年会论文集:流体力学等离子弧焊接熔池流动特性的研究赵 扬(北京工业大学,100124摘要:穿孔型等离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,实现单面焊双面成形。本文以竖板等离子弧焊接为物理模型,采用数值模拟的方法对穿孔型等离子弧焊接中熔融金属的流动特性进行了研究,得到了焊接过程中熔化金属的流动特性。关键词:穿孔等离子弧焊接,流动过程,数值模拟一、 引言等离子弧焊(PAW能量高度集中、电弧力强,能直接穿透被焊工件,实现单面焊接双面成形;焊缝深宽比大,焊接质量好,在造船、航空、航天以及军事工业等领域有着广泛的应用和广阔的发展前景1。穿孔型等离

2、子弧焊广泛应用于中厚板金属材料的焊接加工。按照在焊接过程中有无形成小孔,可将等离子弧焊接方法分为穿孔型等离子弧焊接和熔入型等离子弧焊接2。本文研究竖板穿孔型等离子弧焊接过程中的熔化金属的流动特性,在竖板等离子弧焊接过程中,熔池中熔化金属在电磁力、表面张力、重力等作用下流动,随着焊炬的远离,温度降低,凝固而形成焊缝。研究熔化金属的流动、凝固特性,对提高焊接质量;优化焊接工艺;防止焊接缺陷有重要的意义。二、 数值模拟过程2.1 模型建立物理模型是竖板等离子弧焊接,示意如图1所示。建立了如图2所示的一个简化的模型,正面区域尺寸为30mm10mm40mm。背面槽的前后截面半径分别为9mm和5mm。前面

3、大块区域为空气;后面的槽的顶端为熔化金属流体的入口,从槽中流出的熔融金属将沿金属壁面流动;靠近槽的壁面为金属壁面,这里取金属为铝。划分网格如图3所示。 图1 竖板等离子弧焊接3图2 模型示意图图3 模型网格示意图北京力学会第18届学术年会论文集:流体力学2.2 数值模拟为简化计算,本文引入如下假设:气液界面无相变;流体为牛顿流体;流动状态为层流;不考虑传质、传热。设置初始条件:入口速度为v=0.003mm 、铝熔体的热物性参数,密度2291kg/m 3,动力粘度0.8Pa.s ,表面张力系数0.07N/m 。利用Fluent 软件里的多相流模块中的VOF 模型进行计算,所得的结果可以较好地预测

4、熔化金属的流动轨迹,为进一步在加入凝固模型后预测焊缝形貌提供研究基础。如图4、5、6所示: 图4 计算到1.8s 时液态铝流动轨迹 图5 计算到2.6s 时液态铝流动轨迹 图6 计算到2.6s 时中心剖面的液态铝流动轨迹2.3 结果分析分别取粘度值为0.3、0.8、1.3kg/m s 的铝熔体进行计算,在近壁面0.5mm 处取一条直线,调用线上的速度和压强值,见图7、8。在速度线图上可见:随着粘度的增加,流动速度降低,在流动到槽底部时混合相有速度突变;压强方面:在槽中流动时,随粘度增加,压强增加。沿壁面流动时,小粘度时有较大的压力变化。 图7 不同粘度的速度线图 图8 不同粘度的压强线图三、 结论通过模拟可以比较准确地预测焊接过程中的熔融金属的流动过程,由得到的计算结果可知,铝熔体的粘度增加,会使流动速度降低,且速度的波动减小,有利于控制熔化金属的流动过程;在压强方面,比较小得粘度时会有较大的压强变化,对流动的稳定性不利,因此,对铝合金材质实施增粘措施有利于提高焊接质量。参 考 文 献1 马立. 等离子弧焊接熔池流场与温度场三维数值模拟.硕士论文. 天津:天津大学,20062 李阳,董再胜,孙丽荣. 穿孔型等离子