基于VOF模型的移动TIG焊三维瞬态熔池行为分析
发布时间：2021-08-24 19:26
根据钨极惰性气体保护焊（TIG）实际的熔池情况,建立了移动热源作用下的三维瞬态熔池数值计算模型。考虑了熔池内部所受到的浮力、电磁力、Marangoni力等综合作用对熔池流场和温度场的影响,获得了各时段不同焊接电流TIG焊的熔池行为变化规律。结果表明,焊接熔池在电弧压力、电磁力、浮力和Marangoni力的共同作用下快速流动搅拌,使形成的焊缝较为均匀。在焊接热源移动过程中,熔池前端等温线被"压缩",热量密度较为集中,温度梯度较大。而尾部发生明显"拖尾",且热量分散,真实地反映了焊接熔池的演变。在此基础上,增大焊接电流后,熔池搅动增速,使得热量传播效率提升,引起了熔池体积增大。
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(21)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
网格模型
图2分别是焊接电流为100 A,5 s、20 s、50 s时熔池温度场和流场云图。从图中可见，在恒定表面张力温度系数下，焊接过程中流场和温度场变化过程。在焊接开始阶段，试板的整体温度较低，熔池的高温区域主要集中在电弧中央区域，整个试板最高温度为1155K。并且热场分布不均，在热源移动方向上，熔池前端等温线被“压缩”，后端则发生“拖尾”。从熔池流场可见，熔池在受到电磁力、电弧压力、重力、浮力、Marangoni力等的综合作用下，表现出了从中央向两边向下的对流模式，这有利于将电弧在熔池区域产生的斑点热迅速向周边熔融金属传递，可以起到加速对流、搅拌熔池的效果，进而可形成良好的焊缝成形。随着焊接热源移动，焊接到20s时，由熔池热场可以看出，随着焊接电弧的移动，熔池尾部后拖更加明显，温度等值线被拉长，熔池前方等温线被“压缩”，温度梯度较大。熔池热流分布的不协调性将随着热源的移动而更加明显。从熔池流场可见，熔池整体逆时针流动，前端流动速度较小，后面较大，尾部快速搅动，使得尾部熔池后拖明显。而熔融铝合金热源加载中心附近存在较小的顺时针流动，与之前的流场相互影响，有形成湍流的趋势。与此同时熔池以最大速度向前下方扩散，使得熔池轮廓扩大到底部。而熔池上表面也围绕着水平面不规则波动，形成起伏的熔池外表面。流场流动速度从中心向外减小，在底部相对平稳。随着焊接过程的进行，焊接到50s时，热量在焊接工件中传播范围逐渐增大。熔池流动集中在热源中心附近，上表面熔池从高温区向四周扩散，在热源中心处有较大逆时针的涡流，并且以最大速度向后下方传递，直至焊板底部。综上对比，在整个焊接过程当中，开始起电弧时，温度向外逐层传递，熔池还在生长阶段，熔池内部流动速度较小，没有形成涡流，而是向四周快速扩散。而随着焊接过程深入，熔池在热源中心附近较为集中，并且在Marangoni力等的综合作用下形成涡流快速搅动，内部流速明显增大，液相金属往前下方扩张。而焊接到中段时，熔池扩散表面传播更为平稳，内部搅动过程剧烈，液相金属流向后下方，使得尾部后拖更为明显。熔池经历了先快速生长，而后随着焊接进程熔池先有前倾的趋势，稳定一段时间后，倾向后下方，使得尾部拖长。
图3为焊接电流为200 A，熔池5、20、50 s时温度场和流场云图。从图中可见，当焊接电流增大后，熔池热场峰值迅速增大。100A小电流中熔池流动速度小，熔池还在生长阶段，而在200 A的电流中，熔池较早达到稳定状态，搅动速度增加，面积和体积增大，形成了较为剧烈的流动状态。在焊接开始阶段，随着电流增大，熔池斑点传热能力增大，熔池形成过程加速，流动速度峰值从0.15m/s增加到0.321 m/s；与100 A焊接电流熔池还在向外生长相比，200 A焊接电流熔池场已经发生复杂搅动，熔池内部在焊缝中心线有顺时针流动，前端在向外扩张，最大的流体速度是沿前端向后上方流动。在熔池尾部出现较大的涡流，与100A电流焊接相比，熔池搅动更为明显，并且深度和宽度都明显增加。而在焊接到20s时，熔池形状发生较大改变，流动速度峰值从0.346m/s增加到0.454m/s；与100A电流熔池较为集中相比，随着电流增大，熔池面积扩大，留有较长的尾部，并且熔池液体还在大量向后流动。熔池前端，熔池液体从上表面向下快速流动，并且偏向后方。随着电流增加，输入热量增大，电弧产生的了更大的电弧压力，使熔池产生了更大程度的变形。在焊接50 s时，流动速度峰值从0.310 m/s增加到0.535 m/s，速度增加较为明显，并且大电流前端与小电流相比，200A焊接电流时以峰值速度向前扩张，而100A则以速度峰值留尾。并且在50s时，小电流熔池趋于稳定，流动较为集中于焊接热源附近，大电流不仅是熔池流动区域的扩大，熔池搅动更为剧烈，但与20s时相比，向尾部流动的趋势有所下降。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑自由表面的定点A-TIG焊数值分析[J]. 盛文文,樊丁,黄健康,黄琳. 焊接学报. 2016(01)
[2]GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟[J]. 孙永兴,翟磊,赵明. 焊接学报. 2010(10)
[3]全熔透钨极惰性气体保护电弧焊熔池表面变形动态过程的数值分析[J]. 赵明,秦亚伟,孙永兴. 机械工程学报. 2010(04)
[4]熔池表面变形对电弧行为特征的影响[J]. 芦凤桂,姚舜,楼松年,张毓新. 焊接学报. 2004(02)
[5]TIG焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟[J]. 武传松,陈定华,吴林. 焊接学报. 1988(04)
本文编号：3360579
【文章来源】：热加工工艺. 2020,49(21)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
网格模型
图2分别是焊接电流为100 A,5 s、20 s、50 s时熔池温度场和流场云图。从图中可见，在恒定表面张力温度系数下，焊接过程中流场和温度场变化过程。在焊接开始阶段，试板的整体温度较低，熔池的高温区域主要集中在电弧中央区域，整个试板最高温度为1155K。并且热场分布不均，在热源移动方向上，熔池前端等温线被“压缩”，后端则发生“拖尾”。从熔池流场可见，熔池在受到电磁力、电弧压力、重力、浮力、Marangoni力等的综合作用下，表现出了从中央向两边向下的对流模式，这有利于将电弧在熔池区域产生的斑点热迅速向周边熔融金属传递，可以起到加速对流、搅拌熔池的效果，进而可形成良好的焊缝成形。随着焊接热源移动，焊接到20s时，由熔池热场可以看出，随着焊接电弧的移动，熔池尾部后拖更加明显，温度等值线被拉长，熔池前方等温线被“压缩”，温度梯度较大。熔池热流分布的不协调性将随着热源的移动而更加明显。从熔池流场可见，熔池整体逆时针流动，前端流动速度较小，后面较大，尾部快速搅动，使得尾部熔池后拖明显。而熔融铝合金热源加载中心附近存在较小的顺时针流动，与之前的流场相互影响，有形成湍流的趋势。与此同时熔池以最大速度向前下方扩散，使得熔池轮廓扩大到底部。而熔池上表面也围绕着水平面不规则波动，形成起伏的熔池外表面。流场流动速度从中心向外减小，在底部相对平稳。随着焊接过程的进行，焊接到50s时，热量在焊接工件中传播范围逐渐增大。熔池流动集中在热源中心附近，上表面熔池从高温区向四周扩散，在热源中心处有较大逆时针的涡流，并且以最大速度向后下方传递，直至焊板底部。综上对比，在整个焊接过程当中，开始起电弧时，温度向外逐层传递，熔池还在生长阶段，熔池内部流动速度较小，没有形成涡流，而是向四周快速扩散。而随着焊接过程深入，熔池在热源中心附近较为集中，并且在Marangoni力等的综合作用下形成涡流快速搅动，内部流速明显增大，液相金属往前下方扩张。而焊接到中段时，熔池扩散表面传播更为平稳，内部搅动过程剧烈，液相金属流向后下方，使得尾部后拖更为明显。熔池经历了先快速生长，而后随着焊接进程熔池先有前倾的趋势，稳定一段时间后，倾向后下方，使得尾部拖长。
图3为焊接电流为200 A，熔池5、20、50 s时温度场和流场云图。从图中可见，当焊接电流增大后，熔池热场峰值迅速增大。100A小电流中熔池流动速度小，熔池还在生长阶段，而在200 A的电流中，熔池较早达到稳定状态，搅动速度增加，面积和体积增大，形成了较为剧烈的流动状态。在焊接开始阶段，随着电流增大，熔池斑点传热能力增大，熔池形成过程加速，流动速度峰值从0.15m/s增加到0.321 m/s；与100 A焊接电流熔池还在向外生长相比，200 A焊接电流熔池场已经发生复杂搅动，熔池内部在焊缝中心线有顺时针流动，前端在向外扩张，最大的流体速度是沿前端向后上方流动。在熔池尾部出现较大的涡流，与100A电流焊接相比，熔池搅动更为明显，并且深度和宽度都明显增加。而在焊接到20s时，熔池形状发生较大改变，流动速度峰值从0.346m/s增加到0.454m/s；与100A电流熔池较为集中相比，随着电流增大，熔池面积扩大，留有较长的尾部，并且熔池液体还在大量向后流动。熔池前端，熔池液体从上表面向下快速流动，并且偏向后方。随着电流增加，输入热量增大，电弧产生的了更大的电弧压力，使熔池产生了更大程度的变形。在焊接50 s时，流动速度峰值从0.310 m/s增加到0.535 m/s，速度增加较为明显，并且大电流前端与小电流相比，200A焊接电流时以峰值速度向前扩张，而100A则以速度峰值留尾。并且在50s时，小电流熔池趋于稳定，流动较为集中于焊接热源附近，大电流不仅是熔池流动区域的扩大，熔池搅动更为剧烈，但与20s时相比，向尾部流动的趋势有所下降。
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑自由表面的定点A-TIG焊数值分析[J]. 盛文文,樊丁,黄健康,黄琳. 焊接学报. 2016(01)
[2]GMAW焊接熔池形状和表面变形的数值模拟[J]. 孙永兴,翟磊,赵明. 焊接学报. 2010(10)
[3]全熔透钨极惰性气体保护电弧焊熔池表面变形动态过程的数值分析[J]. 赵明,秦亚伟,孙永兴. 机械工程学报. 2010(04)
[4]熔池表面变形对电弧行为特征的影响[J]. 芦凤桂,姚舜,楼松年,张毓新. 焊接学报. 2004(02)
[5]TIG焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟[J]. 武传松,陈定华,吴林. 焊接学报. 1988(04)
本文编号：3360579
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