等离子弧焊接中的电-磁-热-力耦合作用机理及传热特性研究

The keyhole-mode welding is the advantage of the plasma arc welding process, but it requires harsh process parameters. Although some empirical parameters have been obtained by lots of process tests, the thermo-physical mechanism in keyhole-mode welding is still to be explored. This project is based on the interdiscipline of engineering thermophysics and materials welding processing, and studies the coupled mechanism of electro - magnetic - thermal - mechanical effects in plasma arc welding by the combination of electromagnetism, heat transfer and fluid mechanics. It is expected that the nature of the heat transfer in the keyhole-mode welding is revealed. The unified heat transfer model of plasma arc and weld pool is proposed. By solving the control equations including Maxwell's equations, Ohm's law and the conservation equations of mass, momentum and energy, the coupled mechanism of electromagnetic field, temperature field and flow field during keyholing process is grasped, the heat-force characteristics of plasma arc and the resulted keyhole-mode heat transfer in the weld pool are obtained. Finally, the theoretical model is used to reveal the process parameters such as welding current, the nozzle diameter, the nozzle-to-weld distance, the plasma gas and shielding gas flows on the heat transfer characteristics in plasma arc welding, which provides theoretical basis for the application of plasma arc welding process.

小孔型焊接模式是等离子弧焊接工艺的优势特色，但是其对工艺参数的要求比较苛刻。虽然通过工艺试验掌握了一定的经验参数，但是小孔型焊接模式的热物理机理仍有待探明。本项目基于工程热物理与材料焊接加工的学科交叉，从电磁学、传热学和流体力学等基础理论的结合入手，研究等离子弧焊接中的电-磁-热-力耦合作用机理，从本质上揭示小孔型焊接模式的传热特性。拟建立等离子弧与焊接熔池的耦合传热模型，通过求解包含麦克斯韦方程组和欧姆定律以及质量、动量和能量守恒的控制方程组，掌握穿孔焊接过程中电磁场、温度场和流场的耦合作用机制，获得等离子弧热-力特性及其在焊接熔池中形成的小孔型传热模式；最后应用该理论模型揭示焊接电流、喷嘴孔径、喷嘴到焊件距离、钨极内缩量以及离子气和保护气流量等工艺参数对等离子弧焊接传热特性的影响，为等离子弧焊接工艺的推广应用提供理论依据。

《中国制造2025》是国家重要的战略规划，着力推动我国从制造业大国向制造业强国转变。焊接是现代加工制造业中非常重要的基础工艺技术，开发先进的焊接设备和高效焊接技术对于实现国家的战略目标具有重要作用。一种小孔型等离子弧焊接技术能够形成大熔深和高深宽比的焊缝，甚至不用填丝、不开坡口实现6-12mm厚的不锈钢板焊接。.为了掌握小孔型焊接模式下电弧与工件的作用机理，本项目基于电磁学、传热学和流体力学等基本理论，研究了等离子弧的电-磁-热-力耦合作用机理及其形成的电弧热-力特性；探索了等离子弧与工件界面的传热模式，以及熔池内的小孔型传热机制和固液相变特性；建立了电弧和工件的一体化模型，研究了多种工艺参数对等离子弧焊接传热特性的影响。.本项目按照计划顺利完成了研究内容，达成了预期研究目标，取得了以下四项主要研究成果。.（1）开发出一个简便易用的电弧焊接多物理场模型，将电弧-熔池气液两相作用简化为两个等效的单相作用，大大减少计算时间和成本，计算效率能够提高30倍以上。该模型既适用于工程应用，又能够保证足够精度。.（2）采用磁矢量势和毕奥-萨伐尔定律相结合的方法计算磁场，这是目前理论上最精确的电弧磁场计算方法。该方法计算的最大压力值比其它方法小6%以上，通过等离子弧压力测量实验表明该结果与实验值更吻合。.（3）建立了电弧和工件的一体化模型，揭示了等离子弧起弧至穿透工件形成穿孔焊接的全过程，目前国际上仅有两个课题组能够实现；本项目所预测的电弧穿孔时间、电势降比现有模型更准确。.（4）焊接模拟采用的相变模型中有两个不确定的参数，即糊状区常数和动力粘度，研究者的取值各不相同，会对计算结果造成较大的差异。本项目首次指出了这个问题，并给出了推荐值。.本项目基于电磁学、工程热物理和材料加工工程的多学科交叉，准确揭示了等离子弧焊接中的电-磁-热-力多物理耦合机理，并明确了电弧、熔池和工件的气-液-固多相作用机制，对等离子弧焊接技术的发展和应用具有一定的指导作用。