等离子弧焊接作为一种高能量密度的弧焊工艺,可以不开坡口直接焊透6~8mm的钢板实现单面焊双面成形,在中厚板焊接领域具有应用前景。但等离子弧焊接在实际应用中还面临一些问题:如厚板焊接时穿孔过程稳定性不足、焊接工艺窗口较窄等。这些问题制约着等离子弧焊接在制造领域的应用。为此,焊接工作者提出了多种改型的等离子弧焊接方法,以解决常规等离子弧焊接存在的一些问题。其中,气流再压缩等离子弧焊接,是通过压缩气来拘束电弧,提高电弧穿透能力。与常规等离子弧焊接相比,气流再压缩等离子弧焊接电弧电压更高、电弧穿透能力更强。目前只是从实验角度证实这些现象存在,然而气流再压缩等离子弧焊接电弧穿透能力增强的本质原因、压缩气对电弧的作用机理等关键科学问题还没有解决。研究气流再压缩等离子弧焊接电弧特性和熔池穿孔行为,对于丰富等离子弧焊接理论和指导气流再压缩等离子弧焊接具有重要意义。本文将采用数值模拟和实验研究相结合的方法研究气流再压缩等离子弧焊接电弧特性和熔池穿孔过程。基于流体动力学和电磁理论,采用ANSYS Fluent软件,通过C语言进行二次开发,本文将建立二维稳态气流再压缩等离子弧数值分析模型,定量计算等离子弧温度场分布、电弧压力分布、电流密度分布等,研究焊接电流、离子气流量、压缩气流量和保护气流量对电弧特性的影响规律。对比分析气流再压缩等离子弧特征和常规等离子弧特征,探究压缩气对电弧的作用机理。研究结果表明,压缩气对电弧的冷却作用是拘束电弧的关键;压缩气对喷嘴内部的电弧温度基本没有影响,对喷嘴外部的电弧温度分布影响较大;压缩气对电弧压力基本没有影响,实验测得的电弧压力数据与模拟结果基本吻合。为了分析气流再压缩等离子弧焊接穿孔过程,在考虑“小孔-流体流动-传热”三者相互耦合关系的基础上,构建了气流再压缩等离子弧焊接熔池穿孔过程数值分析模型。模拟计算了气流再压缩等离子弧焊接穿孔过程中的熔池温度场、流场和焊接小孔的动态演变过程;研究了穿孔后熔池的形态、熔池内的流体流动,发现了小孔前方的液态金属绕小孔壁面流向熔池后方;模拟出了穿孔后小孔形态;计算得到了焊缝形状,通过与焊接实验测得的焊缝熔合线进行对比,模拟结果与实验结果在一定程度吻合。