穿孔等离子弧焊接弧与熔池的耦合模拟及正交分析

吴宣楠¹，冯妍卉^1,2，李岩¹，李亚飞¹，张欣欣^1,2，武传松³

1. 北京科技大学机械工程学院2. 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室3. 山东大学材料科学与工程学院

摘 要：针对穿孔等离子弧焊接工艺,建立了定点焊的二维轴对称非稳态数理模型,描述高温流动的电弧与工件熔池的耦合输运过程,通过数值模拟获得了电场、磁场、流场与温度场的演变规律.模拟焊缝熔合线与实验结果吻合较好,验证了数学模型的合理性.研究结果表明:W阴极尖端附近的电流密度与温度是最高的;等离子弧在工件上部呈现出"钟形",而在中心轴线处因进入小孔呈细长的"锥形";高速Ar气等离子体冲击到小孔壁面时速度急剧降低,小孔内出现高压区和Ar气等离子体的返流现象;熔池内流动与传热的综合作用使焊缝熔合线呈倒"喇叭形".进一步对焊接的操作参数及焊枪结构参数进行了影响因素的正交试验模拟.极差分析表明,焊枪的结构因素比焊接操作参数更重要,即对电极间距、电极内缩量、喷嘴孔径需予以重点考虑,以获得良好的焊缝形状.

关键词：等离子弧;焊接;熔池;耦合;正交试验;