等离子弧焊电磁、热、流场耦合数值模拟

摘要

本文针对等离子弧焊接,建立了描述等离子气的电磁、热、流场耦合的二维非稳态数学模型,并假设贯穿工件的倒圆台固定小孔,最终实现了等离子氩气、小孔以及工件输运过程的耦合模型.通过数值模拟,得到了等离子氩气各物理场分布以及工件熔池动态变化.焊缝计算值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:等离子弧的响应时间很短,可以预测,在动态穿孔过程中,等离子弧可以紧随穿孔深度加深并达到相对稳定状态.等离子气体受热膨胀实现高速射流;在工件小孔处,由于气体的高速冲击,形成了一个局部的高压.等离子气中心区域温度远高于周围区域,电流和热流更倾向于从中心区域穿过,形成一个对能量的良性束缚作用.熔池模拟轮廓与实验结果的差距源于模拟中未考虑熔池内液态金属的流动.