实验和数值研究在UFPC辅助水下湿熔剂芯电弧焊接中电弧-气泡热流体力学现象

《Welding in the World》：Experimental and numerical investigation of arc-bubble thermo-fluid dynamics in UFPC-assisted underwater wet flux-cored arc welding

本研究开发多物理场耦合模型，揭示超声频率脉冲电流（UFPC）辅助水下湿芯焊（UWFCAW）中弧-泡系统的热与质量传递机制。通过傅里叶级数分析波形及电磁场理论，建立超声辐射力模型，模拟表明峰值电流和UFPC频率提升可增强动量输出与压力集中，稳定气泡演化，改善焊接质量。实验验证模型准确性，为工艺优化提供理论依据。

　　

摘要

实验已经证实了超声波频率脉冲电流（UFPC）辅助的水下湿药芯弧焊（UWFCAW）对焊接接头性能的有益效果。然而，UFPC参数如何影响电弧-气泡系统的温度和流场机制尚不清楚，这限制了该技术的进一步应用前景。为了克服这些限制，本研究开发了一个多物理场耦合模型，以研究在不同UFPC参数下电弧-气泡系统中的热质传递过程。通过傅里叶级数展开分析UFPC波形并应用电磁场理论，提出了一种新的方法来阐明电弧产生的超声波机制。随后，将该机制通过将产生的超声波辐射力作为时变源项纳入动量守恒方程中进行建模。仿真结果表明，增加峰值电流和UFPC频率显著增强了电弧核心区域的动量输出和压力浓度，促进了气泡的稳定演化。这种协同效应改善了电弧的热特性，减少了温度和压力波动，并确保了向熔池持续输送能量。此外，更高的峰值电流扩大了高温等离子体区域，而升高的UFPC频率提高了电弧稳定性和热对称性。高峰值电流和UFPC频率的结合通过增加等离子体速度和涡流强度进一步改善了动量传输和流动稳定性。对气泡形态、演化周期和体积的实验观察与仿真结果高度吻合，证实了该模型的准确性。这些发现为优化UWFCAW的工艺参数以提高焊接质量和稳定性提供了宝贵的理论支持。