等离子弧—熔池—小孔形态的一体化数值分析
发布时间：2022-07-10 14:41
穿孔等离子弧焊接（PAW）可以在熔池中形成穿透工件的小孔,实现单面焊双面成型,是中厚板制造中的一项重要连接技术。但是,PAW存在工艺窗口窄、小孔稳定性差、适应性不高等问题。等离子弧的热-力特性是PAW形成穿透小孔的重要原因,等离子弧、熔池和小孔三者之间相互作用,相互影响,其物理机制耦合在一起。因此,深入了解PAW工艺机理,需要分析PAW过程中,等离子弧、小孔与熔池间的热-力传递机制。这对于优化PAW焊接工艺和拓展其工艺应用范围有重要意义。建立了轴对称等离子弧的数值模型,计算区域包括钨极、喷嘴及弧柱区。利用Fluent 6.3及其二次开发功能,耦合求解电磁场和流体力学守恒方程,分析了等离子弧的热-力特性。考察了离子气流量和喷嘴直径对等离子弧温度、速度及电流密度等热-力特性的影响规律。针对定点PAW,建立了轴对称等离子弧-熔池-小孔的一体化模型。将“局部热平衡-扩散近似法（LTE-diffusion approximation）"用于一体化模型中,处理等离子弧-熔池之间的非局部热平衡区域—鞘层；通过在阳极表面使用合适的网格尺寸,避开对鞘层内复杂物理现象的求解,解决等离子弧-熔池间电场连续性...
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号表
第1章 引言
1.1 选题意义
1.2 等离子弧焊接物理
1.2.1 喷嘴
1.2.2 阴极
1.2.3 等离子弧的组分
1.2.4 熔池流体流动
1.3 等离子弧焊接的数值模拟
1.3.1 PAW等离子弧模型
1.3.2 PAW熔池模型
1.3.3 等离子弧-熔池的耦合模型
1.4 本文主要工作
第2章 等离子弧热-力特性数值分析
2.1 PAW等离子弧的特点
2.2 轴对称PAW等离子弧的数值模型
2.2.1 计算区域
2.2.2 等离子弧区的控制方程
2.2.3 电磁场耦合计算
2.2.4 钨极与喷嘴
2.2.5 等离子弧与阴极界面间的热传导
2.2.6 外部边界处理
2.2.7 材料物性参数
2.2.8 网格划分及算法
2.3 计算结果
2.3.1 等离子弧热-力特性
2.3.2 喷嘴直径对等离子弧特性的影响
2.3.3 离子气流量对等离子弧特性的影响
2.3.4 等离子弧与自由等离子弧的对比
2.4 本章小结
第3章 定点PAW等离子弧-熔池-小孔的一体化模型
3.1 PAW等离子弧-熔池-小孔的热-力耦合
3.2 等离子弧-熔池-小孔一体化模型的建立
3.2.1 计算区域
3.2.2 多相流模型处理
3.2.3 传热与流动
3.2.4 电磁场耦合
3.2.5 熔池自由表面变形与小孔追踪
3.2.6 鞘层非局部热平衡区域处理
3.2.7 等离子弧与熔池界面的热-力传递
3.2.8 外部边界
3.2.9 材料物性参数
3.2.10 数值算法
3.3 模拟结果与分析
3.3.1 穿孔过程及等离子弧形态演变
3.3.2 等离子弧-熔池界面上的热-力分布
3.3.3 电流密度与电磁力的分布
3.4 实验验证
3.5 本章小结
第4章 金属蒸气对PAW等离子弧与熔池的影响
4.1 金属蒸气的计算模型
4.1.1 金属蒸气的数值算法
4.1.2 等离子体物性参数
4.1.3 控制方程组
4.1.4 边界条件
4.2 金属蒸气的计算结果与分析
4.2.1 铁蒸气的扩散与分布
4.2.2 铁蒸气对等离子弧的影响
4.2.3 铁蒸气对熔池的影响
4.3 模型验证
4.4 本章小结
第5章 等离子弧运动时的PAW热过程一体化模型
5.1 连续PAW热过程特点
5.2 连续PAW三维一体化模型
5.2.1 计算区域
5.2.2 焊枪与工件的相对运动
5.2.3 控制方程组
5.2.4 边界条件
5.3 计算结果与分析
5.3.1 等离子弧及工件温度场演变
5.3.2 等离子弧与熔池中的流场
5.3.3 熔池表面上的热-力分布
5.4 实验验证
5.5 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间已发表和撰写的论文
攻读博士学位期间参与的科研项目
附件
学位论文评巧及答辩情况表
本文编号：3657871
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摘要
Abstract
主要符号表
第1章 引言
1.1 选题意义
1.2 等离子弧焊接物理
1.2.1 喷嘴
1.2.2 阴极
1.2.3 等离子弧的组分
1.2.4 熔池流体流动
1.3 等离子弧焊接的数值模拟
1.3.1 PAW等离子弧模型
1.3.2 PAW熔池模型
1.3.3 等离子弧-熔池的耦合模型
1.4 本文主要工作
第2章 等离子弧热-力特性数值分析
2.1 PAW等离子弧的特点
2.2 轴对称PAW等离子弧的数值模型
2.2.1 计算区域
2.2.2 等离子弧区的控制方程
2.2.3 电磁场耦合计算
2.2.4 钨极与喷嘴
2.2.5 等离子弧与阴极界面间的热传导
2.2.6 外部边界处理
2.2.7 材料物性参数
2.2.8 网格划分及算法
2.3 计算结果
2.3.1 等离子弧热-力特性
2.3.2 喷嘴直径对等离子弧特性的影响
2.3.3 离子气流量对等离子弧特性的影响
2.3.4 等离子弧与自由等离子弧的对比
2.4 本章小结
第3章 定点PAW等离子弧-熔池-小孔的一体化模型
3.1 PAW等离子弧-熔池-小孔的热-力耦合
3.2 等离子弧-熔池-小孔一体化模型的建立
3.2.1 计算区域
3.2.2 多相流模型处理
3.2.3 传热与流动
3.2.4 电磁场耦合
3.2.5 熔池自由表面变形与小孔追踪
3.2.6 鞘层非局部热平衡区域处理
3.2.7 等离子弧与熔池界面的热-力传递
3.2.8 外部边界
3.2.9 材料物性参数
3.2.10 数值算法
3.3 模拟结果与分析
3.3.1 穿孔过程及等离子弧形态演变
3.3.2 等离子弧-熔池界面上的热-力分布
3.3.3 电流密度与电磁力的分布
3.4 实验验证
3.5 本章小结
第4章 金属蒸气对PAW等离子弧与熔池的影响
4.1 金属蒸气的计算模型
4.1.1 金属蒸气的数值算法
4.1.2 等离子体物性参数
4.1.3 控制方程组
4.1.4 边界条件
4.2 金属蒸气的计算结果与分析
4.2.1 铁蒸气的扩散与分布
4.2.2 铁蒸气对等离子弧的影响
4.2.3 铁蒸气对熔池的影响
4.3 模型验证
4.4 本章小结
第5章 等离子弧运动时的PAW热过程一体化模型
5.1 连续PAW热过程特点
5.2 连续PAW三维一体化模型
5.2.1 计算区域
5.2.2 焊枪与工件的相对运动
5.2.3 控制方程组
5.2.4 边界条件
5.3 计算结果与分析
5.3.1 等离子弧及工件温度场演变
5.3.2 等离子弧与熔池中的流场
5.3.3 熔池表面上的热-力分布
5.4 实验验证
5.5 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 结论
6.2 展望
参考文献
致谢
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攻读博士学位期间参与的科研项目
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本文编号：3657871
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