穿孔等離子弧焊接（PAW）可以在熔池中形成穿透工件的小孔,實現(xiàn)單面焊雙面成型,是中厚板制造中的一項重要連接技術(shù)。但是,PAW存在工藝窗口窄、小孔穩(wěn)定性差、適應性不高等問題。等離子弧的熱-力特性是PAW形成穿透小孔的重要原因,等離子弧、熔池和小孔三者之間相互作用,相互影響,其物理機制耦合在一起。因此,深入了解PAW工藝機理,需要分析PAW過程中,等離子弧、小孔與熔池間的熱-力傳遞機制。這對于優(yōu)化PAW焊接工藝和拓展其工藝應用范圍有重要意義。建立了軸對稱等離子弧的數(shù)值模型,計算區(qū)域包括鎢極、噴嘴及弧柱區(qū)。利用Fluent 6.3及其二次開發(fā)功能,耦合求解電磁場和流體力學守恒方程,分析了等離子弧的熱-力特性。考察了離子氣流量和噴嘴直徑對等離子弧溫度、速度及電流密度等熱-力特性的影響規(guī)律。針對定點PAW,建立了軸對稱等離子弧-熔池-小孔的一體化模型。將“局部熱平衡-擴散近似法（LTE-diffusion approximation）"用于一體化模型中,處理等離子弧-熔池之間的非局部熱平衡區(qū)域—鞘層；通過在陽極表面使用合適的網(wǎng)格尺寸,避開對鞘層內(nèi)復雜物理現(xiàn)象的求解,解決等離子弧-熔池間電場連續(xù)性... 

【文章頁數(shù)】：154 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
主要符號表
第1章 引言
    1.1 選題意義
    1.2 等離子弧焊接物理
        1.2.1 噴嘴
        1.2.2 陰極
        1.2.3 等離子弧的組分
        1.2.4 熔池流體流動
    1.3 等離子弧焊接的數(shù)值模擬
        1.3.1 PAW等離子弧模型
        1.3.2 PAW熔池模型
        1.3.3 等離子弧-熔池的耦合模型
    1.4 本文主要工作
第2章 等離子弧熱-力特性數(shù)值分析
    2.1 PAW等離子弧的特點
    2.2 軸對稱PAW等離子弧的數(shù)值模型
        2.2.1 計算區(qū)域
        2.2.2 等離子弧區(qū)的控制方程
        2.2.3 電磁場耦合計算
        2.2.4 鎢極與噴嘴
        2.2.5 等離子弧與陰極界面間的熱傳導
        2.2.6 外部邊界處理
        2.2.7 材料物性參數(shù)
        2.2.8 網(wǎng)格劃分及算法
    2.3 計算結(jié)果
        2.3.1 等離子弧熱-力特性
        2.3.2 噴嘴直徑對等離子弧特性的影響
        2.3.3 離子氣流量對等離子弧特性的影響
        2.3.4 等離子弧與自由等離子弧的對比
    2.4 本章小結(jié)
第3章 定點PAW等離子弧-熔池-小孔的一體化模型
    3.1 PAW等離子弧-熔池-小孔的熱-力耦合
    3.2 等離子弧-熔池-小孔一體化模型的建立
        3.2.1 計算區(qū)域
        3.2.2 多相流模型處理
        3.2.3 傳熱與流動
        3.2.4 電磁場耦合
        3.2.5 熔池自由表面變形與小孔追蹤
        3.2.6 鞘層非局部熱平衡區(qū)域處理
        3.2.7 等離子弧與熔池界面的熱-力傳遞
        3.2.8 外部邊界
        3.2.9 材料物性參數(shù)
        3.2.10 數(shù)值算法
    3.3 模擬結(jié)果與分析
        3.3.1 穿孔過程及等離子弧形態(tài)演變
        3.3.2 等離子弧-熔池界面上的熱-力分布
        3.3.3 電流密度與電磁力的分布
    3.4 實驗驗證
    3.5 本章小結(jié)
第4章 金屬蒸氣對PAW等離子弧與熔池的影響
    4.1 金屬蒸氣的計算模型
        4.1.1 金屬蒸氣的數(shù)值算法
        4.1.2 等離子體物性參數(shù)
        4.1.3 控制方程組
        4.1.4 邊界條件
    4.2 金屬蒸氣的計算結(jié)果與分析
        4.2.1 鐵蒸氣的擴散與分布
        4.2.2 鐵蒸氣對等離子弧的影響
        4.2.3 鐵蒸氣對熔池的影響
    4.3 模型驗證
    4.4 本章小結(jié)
第5章 等離子弧運動時的PAW熱過程一體化模型
    5.1 連續(xù)PAW熱過程特點
    5.2 連續(xù)PAW三維一體化模型
        5.2.1 計算區(qū)域
        5.2.2 焊槍與工件的相對運動
        5.2.3 控制方程組
        5.2.4 邊界條件
    5.3 計算結(jié)果與分析
        5.3.1 等離子弧及工件溫度場演變
        5.3.2 等離子弧與熔池中的流場
        5.3.3 熔池表面上的熱-力分布
    5.4 實驗驗證
    5.5 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學位期間已發(fā)表和撰寫的論文
攻讀博士學位期間參與的科研項目
附件
學位論文評巧及答辯情況表



本文編號：3657871