小孔法等离子弧焊接的能量分析

论文摘要

小孔法等离子弧焊接由于焊接过程中独特的“小孔效应”而得名,即等离子弧焊接过程中,等离子体产生很大的电弧力,对焊接熔池产生“挖掘”作用,以至形成小孔。自小孔法等离子弧焊工艺方法问世以来,就一直受到学术与工业界的关注。近年来,随着测控技术的进步,这一弧焊方法的应用更有了新的发展。等离子弧的能量密度高,融透能力强,能将工件一次焊透,实现单面焊双面成形,在焊接不锈钢、镍基合金等材料时等离子穿孔焊比TIG焊具有更高的优越性。在小孔等离子弧焊过程中,等离子弧的热变换和熔池的小孔行为是影响焊接工艺稳定性以及焊接质量的关键因素。本文通过进行多次对比实验,获得本实验焊接条件下最理想的焊接参数,同时测得小孔一些基本数据,如上下表面熔池宽度,焊接熔池后拖角。以实验所得的最理想的工艺参数为基础,建立了等离子弧能量分配与损失的模型,对模型做了定性的分析。然后从力的平衡和能量守恒的角度上进行了定量计算,建立了等离子弧能量公式及其推导过程,从而计算出了等离子弧能量和损失的大小。本文对小孔的焊接模型进行了全面的讨论,透视了小孔的形成机理,成功的建立了小孔的几何、物理、数学模型,为进一步研究小孔奠定了基础,为进行数学计算提供了依据。本文通过对小孔法焊接的等离子弧的分析,建立了一套可用的分析方法,为提高焊接工艺,优化焊接参数提供了帮助。焊接热过程对小孔的建立与形成有决定性的作用。因此,等离子弧焊接能量分配和损失的分析以及对小孔状态的研究,能够为小孔等离子弧焊接提供重要的基础数据,具有重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 国内对焊接电弧的研究现状
• 1.2 国外对焊接电弧的研究现状
• 1.3 模型在焊接领域的研究现状
• 1.3.1 物理模型与数学模型
• 1.3.2 数学模型在焊接中的应用
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 等离子弧能量分析的理论基础
• 2.1 等离子体物理
• 2.2 焊接电弧的导电与导热特性
• 2.2.1 焊接电弧各区域导电特点
• 2.2.2 电弧产热机理
• 2.3 小孔法等离子弧焊接简介
• 2.4 模型在计算电弧能量中的应用
• 2.4.1 忽略弧柱能量的模型
• 2.4.2 考虑弧柱能量损失的模型
• 2.4.3 考虑电弧能量损失的模型
• 2.4.4 弧柱和两近极区均有能量损失的模型
• 第三章 小孔等离子弧焊的实验特性分析
• 3.1 实验目的及方案
• 3.2 焊接设备
• 3.3 实验所用设备组成及型号
• 3.4 焊接程序图
• 3.5 实验参数的选择
• 3.6 实验分析与实验结论
• 3.7 对小孔几何尺寸的测定
• 第四章 小孔等离子弧焊的等离子弧能量分析
• 4.1 物理计算模型的建立
• 4.2 等离子弧在压缩区的数学计算模型与能量分析
• 4.2.1 等离子弧在压缩区入口的功率计算
• 4.2.2 等离子弧在压缩区的功率损失计算
• 4.2.3 等离子弧在压缩区出口的功率计算
• 4.3 等离子弧在非压缩区的数学计算模型与能量分析
• 4.3.1 等离子弧在非压缩区的功率损失计算
• 4.3.2 等离子弧在非压缩区的最终功率输出
• 4.4 等离子弧在小孔区的数学计算模型与能量分析
• 4.4.1 等离子弧在小孔区的功率损失计算
• 4.4.2 小孔熔宽的计算
• 4.4.3 形成小孔所需的等离子弧功率
• 4.4.4 小孔形成和维持过程中的能量平衡分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 等离子弧在小孔上作用力的分析
• 5.1 小孔的形成机理
• 5.2 稳态时小孔上作用力的平衡
• 5.3 等离子弧穿透小孔的深度
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录
• 附录1 非压缩区的计算结果
• 附录2 小孔区的计算结果
• 附录3 论文中参数的取值参考
• 在学研究成果
• 致谢