小孔等离子弧焊接热场的有限元分析

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1、第!"卷#第$期焊接学报789:!"##*8:$!%%&年$月’()*+),’-.*+./’01,0-*)2134-*5-*+’-’6’-.*;<9=##!%%&小孔等离子弧焊接热场的有限元分析#####王怀刚，#武传松，#张明贤#####（山东大学材料连接技术研究所，济南#!&%%">）摘#要：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。数值模拟结果表明，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

2、较低。在此基础上，考虑等离子弧对熔池的热?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，计算出的小孔等离子弧焊缝形状与试验结果吻合良好。关键词：等离子弧焊接；小孔；热源模型；热场；有限元分析中图分类号：’5@@##文献标识码：)##文章编号：%!&A?A"%B（!%%&）%$?@C?%&王怀刚%#序##言化假设，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在熔池表面的小孔部分，在熔池小孔等离子弧焊接与常规钨极氩弧焊相比，具表面的其余部分以及工件的上下固体表面辐射和对有更优秀的工艺品质［>］。然而，在焊接过

3、程中，等流热传递均被忽略，也没有考虑蒸发的影响。文献离子弧的稳定性差，对焊接工艺参数的变化比较敏［GH>%］根据流体力学理论和热传导机理建立了小感，导致小孔的稳定性差，获得良好接头质量的合理孔等离子弧焊接熔池流场和热场的三维瞬态数值分规范参数范围窄，可调裕度小，这些问题制约了该工析模型，但都是利用一般的平面高斯热源来描述小［>］孔等离子弧焊接的热输入。文献［>>］利用7./（流艺在工业中的大量应用。另一方面，近年来在中厚板焊接工艺中，出现了一些新型高效焊接工艺，如体体积分数）法建立了小孔等离子弧焊接熔池的二［!，A］双面电弧焊（4+)2）和改进型

4、小孔等离子弧焊维瞬态分析模型，也是采用平面高斯热源。平面高［@］（DE?F)2）。这些新工艺都用到了小孔等离子斯热源显然不符合小孔等离子弧焊接的实际情况。弧焊接。在小孔等离子弧焊过程中，熔池的小孔行这些研究者没有涉及小孔等离子弧焊接热源作用机为是影响焊接工艺稳定性以及焊接质量的关键因理。小孔等离子弧焊接过程数值模拟的难点在于如［&］素。焊接热过程对小孔的建立与形成有决定作何考虑等离子弧对熔池的“挖掘”作用，如何建立相用。因此，等离子弧焊接热场的有限元分析，能够为应的与小孔有联系的热源模型，尤其是如何考虑小小孔等离子弧焊接提供重要的基础数据，具有重

5、要孔状态下的热输入。文中在这方面进行了初步探的理论意义和实用价值。索。为了凸现小孔等离子弧焊接的热源作用机制，目前，在焊接热场的数值模拟研究方面，关于等作为系列研究的第一步，主要探讨适当的三维体积离子弧焊接（F)2），尤其是小孔等离子弧焊接（E?热源作用下的焊接热场，对熔池中的流场作用只作F)2）的数值模拟研究很少。文献［"］针对固定电间接考虑。弧等离子弧焊接过程建立了二维稳态热传导模型，将焊接电流流经工件时产生的焦耳热当作热能方程>#控制方程及边界条件的源项进行计算，但仅考虑二维稳态而且是固定电弧的作用。文献［$］对等离子弧焊接过程建立了三F)

6、2焊接过程涉及到热传导、对流、蒸发、辐射维稳态有限元模型，计算了小孔等离子弧焊接和熔化凝固等众多物理化学过程。为了简化计算，熔池中的温度场和流场，但这一模型做了大量的简在三维准稳态模型的建立过程中做出如下假设：!熔池穿孔之后，焊接熔池和小孔关于焊接中心线对收稿日期：!%%@?%G?%!基金项目：教育部科学技术研究重点项目（>%@>%C）称；"小孔形成后，电弧等离子体沿小孔穿透工件，把小孔当作体积热源；#通过建立合理的热源模#!"焊#接#学#报第$%卷型，间接考虑熔池中流场和电弧力的作用；!除了材料的导热系数、比热、散热系数与温度有关外，其它热物性

7、参数（如密度、粘度等）均为常数。基于以上假设，&’(焊接热过程控制方程就可以建立在随热源中心移动的三维直角坐标系中。对于每一瞬时，按照固定坐标系进行计算，其方程为"#""#""#""#!!""$)"%(&"%)*"’(&"’)*"((&"()，（+）式中：!为金属的密度；!"为定压比热容；#为温度；$为时间；&为导热系数；%，’，(为三维直角坐标。方程（+）的定解条件如下：工件上表面,&2#·!-))（.*）,)/0,)123，（$）$"+,*)（.*）)$143(,$*$)，（5）$#*"")/0)#/（0#-#.），（6）)123)/1007

8、，（!）式中：!-为上表面的法向单位矢量；)（.*）为焊接电弧传递给工件的热流密度；)/0为因对流和辐射而散失的热流密度；)123为因蒸