等离子弧穿孔熔池动态形成过程的数值模拟.pdf

第九次全国焊接会议论文集 等离子弧穿孔熔池动态形成过程的数值模拟 1*1Vr航空」_业学院 陈焕明 谢美蓉 江淑园 摘要 综合考虑等离了弧%Y孔焊接物理过程 建立了运动等离子弧作用下穿孔焊接熔池流 场 温度场的三维数值分析6SS2. 拟井图形盏山下了tic池形状和穿孔熔池的动态形成过程.焊接 T.找试验表明.根据该模吧钊沂的L ‘下表面焊缝宽度与测试结果吻合程度良好. 关键词:等离子弧穿孔焊接.熔池、数值模拟 前 言 等离了弧穿孔焊接过程中}汐1$1小孔稳定存在的f_艺因素较多，而且各因素间相互作 用，规范参数调试复杂 同川，在电弧1J-力、熔池重力及熔池表面张力的作用下，熔池表 面将r生凸凹变化的表面变形，这对熔池形状及焊接质量有重要影响 采用数值模拟技 术，综合考虑上述因索的影响和等离子弧穿子:焊接物理过程，计算其流场和温度场，摸拟 熔池形状和穿孔熔池动态形成过程，这对于优化 「艺设计和焊缝熔透控制具有重要的理论 意义和实用价值.一些又献中建v:TTIC焊、州G)VI等熔池数学模型:‘一“，取得了良好的 效果，本文对等离子弧穿孔焊接熔池形成过程进行T数植模拟. 三维模型的建立 1.1 穿孔熔池的形成 等离子弧焊接时，被焊工付表面在运动热源作用下，首先主要靠热传导形成较浅的熔 池 然后随着热量的积累、朴一，匕弧力、表而张力和自然对流(浮力〕等共同作用下，熔池 体积迅45增大1并FL熔池的f:表面会产生IN]变形、如图I(a)所示，这时熔池形状类似 TIG焊熔池形状UI，山于工件背fit熔化区域较小.所以假设熔池下表面没有变形 根据流体 力学理沦和变分法原理，可推睁出熔池土表Ifti变形方程: p一p8D(十c-一仃((卜中了)中，，一2中小丫中，、(卜a):)(P,.)/ 〔卜小卜中r)r (1) 式中Pa为电弧压力，P为液态个属密度，8为重力加速度，a为表面张力系数，中为熔池 表面形状函数(P(x,Y)，4-),为u,对下标L的 阶或二阶偏导数(i为x,y,xx,yy,xy).。为 待定常数，可根据熔池表而变I翔B总体积不变的原则来确定，即: 仃。、，〔，)dxd，一。 (2) 边界条件为:当某点温度TT.(母材熔点 )时，中(x,y)=0。 在1毯弧力的挖掘作用下，,G也的I表Itii进 一步下凹，逐渐形成一个穿透性的小孔.为 z 一 530 第九次全国焊接会议论文集 便f分析穿孔熔池的受力平衡情况，假设熔池模型如图1(b)所示，小孔侧壁周围有液体 金属并呈圆锥筒形;小孔朱穿透工件时、熔池底部为球面. 对于熔池底部的匕表面，若促使小孔形成的力 (电磁力、等离子流力、蒸气压力与蒸 气反作用力之和)P，大于该节点的液态金属表面张力P,(2。/:!)与静压力P,(pgz)之和， 该节点处向深度方向扩展。如果P等于 _力之和，该节点处于平衡位置.即: P，Za/:十p9z (向深度方向扩展) (3) P，二2(y/r+p,z (平衡状态) (4) 对于熔池侧壁节点，如果促使小孔形成的力之和在侧壁节点法线方向上的分力P。大 f该节点处表面张力P。与液体金属静压力p9z之和，那么熔池侧壁向横向扩展.即: Pl}P。*p9z (侧壁向横向扩展) (5) 熔池底部下表而节点仅有液体金属静压力P,(psz)和表面张力Ps(2a/r,)作用 pg: ‘2a/:， 戈下农面没穿孔) (6) p9z 2a/r (下表而穿孔) (7) 式中 「为熔池底部上表面曲率半径，:，为熔池底部下表面曲率半径