1、穿孔等離子弧焊接(PAW)可以在熔池中形成穿透工件的小孔，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，是中厚板制造中的一項(xiàng)重要連接技術(shù)。但是，PAW存在工藝窗口窄、小孔穩(wěn)定性差、適應(yīng)性不高等問(wèn)題。等離子弧的熱-力特性是PAW形成穿透小孔的重要原因，等離子弧、熔池和小孔三者之間相互作用，相互影響，其物理機(jī)制耦合在一起。因此，深入了解PAW工藝機(jī)理，需要分析PAW過(guò)程中，等離子弧、小孔與熔池間的熱-力傳遞機(jī)制。這對(duì)于優(yōu)化PAW焊接工藝和拓展其工藝應(yīng)用范圍有重要意義

2、。
　　建立了軸對(duì)稱(chēng)等離子弧的數(shù)值模型，計(jì)算區(qū)域包括鎢極、噴嘴及弧柱區(qū)。利用Fluent6.3及其二次開(kāi)發(fā)功能，耦合求解電磁場(chǎng)和流體力學(xué)守恒方程，分析了等離子弧的熱-力特性?？疾炝穗x子氣流量和噴嘴直徑對(duì)等離子弧溫度、速度及電流密度等熱-力特性的影響規(guī)律。
　　針對(duì)定點(diǎn)PAW，建立了軸對(duì)稱(chēng)等離子弧-熔池-小孔的一體化模型。將“局部熱平衡-擴(kuò)散近似法(LTE-diffusion approximation)”用于一體化模型中，處

3、理等離子弧-熔池之間的非局部熱平衡區(qū)域一鞘層；通過(guò);陽(yáng)極表面使用合適的網(wǎng)格尺寸，避開(kāi)對(duì)鞘層內(nèi)復(fù)雜物理現(xiàn)象的求解，解決等離子弧-熔池間電場(chǎng)連續(xù)性問(wèn)題；在界;層網(wǎng)格的能量控制方程中添加鞘層區(qū)域發(fā)生的熱通量源項(xiàng)。模擬了工件穿孔的過(guò)程中，熔池表面下凹變形、盲孔擴(kuò)大、等離子弧-小孔壁面間的熱-力耦合作用以及熔池與弧柱區(qū)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的瞬態(tài)演變行為。著重考察和分析了焊接穿孔過(guò)程中隨等離子弧與熔池界面的不斷變化，熔池表面上電流密度、等離子弧壓力

4、、熱流密度的變化規(guī)律。
　　在軸對(duì)稱(chēng)一體化模型中，考慮了金屬蒸氣的影響。采用粘度近似法處理金屬蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程中擴(kuò)散項(xiàng)系數(shù)。計(jì)算定點(diǎn)PAW焊接過(guò)程中金屬蒸氣的產(chǎn)生與擴(kuò)散。分析金屬蒸氣擴(kuò)散至等離子弧中后，等離子弧的溫度場(chǎng)，流場(chǎng)和電場(chǎng)的變化規(guī)律。等離子弧熱-力性質(zhì)的改變引起了等離子弧-熔池界面上的熱流密度分布的變化。在模型中考慮金屬蒸氣時(shí)，預(yù)測(cè)的熔池溫度場(chǎng)減小，熔池尺寸更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　針對(duì)連續(xù)PAW，使用滑移網(wǎng)格技術(shù)處理工

5、件與等離子弧之間的相對(duì)移動(dòng)，建立了運(yùn)動(dòng)的熱源-力源作用下等離子弧-熔池-小孔的三維一體化模型。數(shù)值分析結(jié)果表明，隨著等離子弧沿焊接方向移動(dòng)，不斷熔化的液態(tài)金屬環(huán)繞小孔壁面快速流向熔池尾部;小孔前壁與熔池前部固液界面幾乎重合，此處液態(tài)金屬層較薄;液態(tài)金屬主要集中于等離子弧后部的熔池區(qū)域;穿透小孔的軸線(xiàn)向后偏離焊槍軸線(xiàn)，小孔的形狀相對(duì)于焊槍軸線(xiàn)不再對(duì)稱(chēng);等離子弧施加于小孔前后部壁面上的熱-力作用也不再對(duì)稱(chēng)。
　　采用水平陽(yáng)極表面上的等