2A16鋁合金TIG焊熔池模擬

莫春立，耿曉瑋，周相海,叢 榕

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

材料工程

2A16鋁合金TIG焊熔池模擬

莫春立，耿曉瑋，周相海,叢 榕

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110136)

通過FLUENT軟件進(jìn)行二次開發(fā)，針對2A16鋁合金TIG焊接過程，建立移動(dòng)焊接熔池模型，考慮了表面張力、浮力、電磁力等對熔池流動(dòng)的影響，模擬分析不同焊接電流條件下，熔池溫度場和流場變化情況，以及熔池形貌變化。模擬結(jié)果直觀顯示焊接熔池形貌、溫度場、流場分布狀況，熔池流場分為兩部分，在熔池表層，金屬液由中間流向邊緣，熔池底部金屬液有邊緣流向中間，熔池焊接進(jìn)行一段時(shí)間后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，溫度場關(guān)于焊縫近似對稱分布，焊接熔池內(nèi)部傳熱方式以對流傳熱為主，隨焊接電流的增加，熔深增加，熔寬略有增加。

FLUENT；焊接熔池；流場；熱場；熔池形貌

焊接熔池的傳熱和流體流動(dòng)計(jì)算機(jī)模擬是焊接模擬領(lǐng)域的一個(gè)重要領(lǐng)域，同時(shí)也是焊接冶金模擬中最為復(fù)雜的方向之一。美國麻省理工學(xué)院的 OREPER C.M.首次對熔池中流體在表面張力梯度、電磁力和浮力共同作用下所產(chǎn)生的流動(dòng)及傳熱過程建立了數(shù)學(xué)模型[1]，從此熔池中流體流動(dòng)及傳熱過程的數(shù)值模擬受到普遍的關(guān)注。最早人們建立了固定容器內(nèi)流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，以后一些學(xué)者分別用不同的方法建立了接近實(shí)際電弧作用下焊接熔池流動(dòng)和傳熱的數(shù)學(xué)模型。KOU[2]教授假設(shè)熔池表面不變形建立三維和二維TIG焊熔池流動(dòng)傳熱模型。Zacharia[3][4][5]等進(jìn)行了三維電弧焊過程的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，考慮了熔池中電磁力、浮力、表面張力，并將自由表面視為可變形表面，研究了熔池中的流體流動(dòng)和傳熱。國內(nèi)首先考慮流體流動(dòng)是武傳松[6]，其首先建立了三維TIG焊流體流動(dòng)及傳熱模型，同時(shí)考慮了熔池內(nèi)部液態(tài)金屬對流的影響擴(kuò)展了固定的二維熔池模型。武傳松、曹振寧[7]建立了熔透情況下三維運(yùn)動(dòng)TIG焊熔池中流體流動(dòng)及傳熱模型，在模型中考慮了熔池表面的自由變形，使焊接模型更接近于實(shí)際。隨后武傳松、鄭煒[8][9]等建立脈沖TIG焊模型，首次分析脈沖電流對TIG焊熔池流場熱場及熔池形狀的影響。盧鳳桂[10]董文超、陸善平[11][12]等建立了定點(diǎn)TIG焊接電弧與熔池交互耦合數(shù)值模擬模型，模擬更符合實(shí)際焊接工藝過程。

熔池形貌演變與熔池流場和溫度場變化密切相關(guān)，焊接過程中熔池反應(yīng)劇烈難以觀察熔池流場和溫度場變化，數(shù)值模擬為研究熔池形貌的變化提供了一個(gè)有效的途徑。本文通過FLUENT平臺(tái)，進(jìn)行二次開發(fā)添加邊界和源項(xiàng)條件，建立了2A16鋁合金TIG焊接熔池模型，在保持焊接電壓(U=15 V)、速度(V=0.002 m/s)不變的情況下，改變電流(I=280A/300A/320A)分析了移動(dòng)TIG焊過程中，電流變化對焊接熔池流場、溫度場以及熔池形貌的影響，為焊接工藝參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 模型假設(shè)

為了便于計(jì)算，本文采用如下基本假設(shè)：

(1)三維熔池模型內(nèi)液態(tài)金屬為層流、不可壓縮的牛頓流體；

(2)焊件為2A16鋁合金，除熱導(dǎo)率和粘度外，其余熱物理常數(shù)與溫度無關(guān)；

(3)焊接熔池表面自由平面，變形忽略不計(jì)；

(4)采用體熱源模型。

圖1 焊接過程示意圖

1.2 控制方程

直角坐標(biāo)系下三維瞬態(tài)熔池流體流動(dòng)及傳熱方程描述如下[13-15]：

質(zhì)量守恒方程：

X,Y,Z方向動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

其中ρ,K,μ分別為焊接材料的密度、熱導(dǎo)率、粘度，熱導(dǎo)率和粘度為溫度的函數(shù)；u,v,w分別為熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動(dòng)速度X，Y，Z方向分量；U0為熱源移動(dòng)速度；t焊接時(shí)間；SX，SY，SZ別為動(dòng)量守恒方程中X，Y，Z方向的源項(xiàng)；Sh為能量守恒方程的源項(xiàng)；P是壓力；H是混合焓。

1.3 初始條件和邊界條件

(1)初始條件

工件的初始溫度等于環(huán)境溫度T0，熔池中液態(tài)金屬的初始速度為零，即u=0,v=0,w=0。

(2)熱邊界條件

焊件表面主要以對流換熱損失熱量qconv和熱輻射損失熱量qrad為主，其中對流換熱和熱輻射損失熱量表達(dá)式如下[14][15]：

qconv=hc(T-Ta)

式中，hc焊件表面的換熱系數(shù)，Ta為環(huán)境溫度，σSB為玻爾茲曼常量,ε為發(fā)射率。

(3)動(dòng)量邊界條件

在熔池上表面，由于存在溫度梯度而產(chǎn)生的表面張力梯度與流體剪切力相平衡，有動(dòng)量邊界條件為：

(4)電磁邊界條件

上表面電流密度如下：

側(cè)面和下表面的能量邊界條件為焊件與環(huán)境間的對流與輻射傳熱條件，對于動(dòng)量邊界條件，則設(shè)定速度為零。在焊件下表面，由于接地的緣故，設(shè)定電流密度為零。對于側(cè)表面，因?yàn)楹讣饘俚膶?dǎo)電率非常高，且遠(yuǎn)離熔池表面，所以焊件側(cè)表面的電勢設(shè)定為零。

2 源項(xiàng)及驅(qū)動(dòng)力

2.1 能量源項(xiàng)

焊接模擬過程中，以體熱源模型為焊接熱源模型，將體熱源添加在能量守恒方程源項(xiàng)中。體熱源添加形式如下[6]：

式中，q為熱流密度；η為焊接熱效率；U為焊接電壓 焊接電流a，b，c為與熱源有關(guān)常數(shù)X，Y，Z為坐標(biāo)位置。

2.2 驅(qū)動(dòng)力

TIG焊熔池流動(dòng)主要受到驅(qū)動(dòng)力有表面張力、浮力、電磁力。熔池表面張力梯度與流動(dòng)切應(yīng)力相平衡，焊接熔池中的電磁力和浮力表達(dá)式如下[16]：

電磁力以動(dòng)量方程中源項(xiàng)形式添加形式如下:

3 焊接熔池求解分析

圖2為工件模型和網(wǎng)格劃分，工件為尺寸為100 mm×50 mm×10 mm，對應(yīng)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為200×100×20。熔池/凝固過程采用FLUENT中enthalpy-porosity技術(shù)處理[13]。

圖2 工件模型和網(wǎng)格劃分

4 模擬結(jié)果及分析

圖3為電流分別在280A,300A,320A 條件下焊接熔池流場，從圖3中可以看出，流場熔池內(nèi)的流場基本分為兩部分，上部為表面張力驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)，由焊縫中心指向焊縫邊緣，在焊接熔池表面形成對流，有利于熱量向熔池周邊傳遞最終形成寬且窄的熔池。表面張力的大小主要受溫度和微量元素的影響，對電流變化敏感性較小，所以在電流增大情況下，熔池表面對流受影響較小，最終導(dǎo)致熔寬略微增加。焊接熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力主要為浮力、表面張力、電磁力，圖3熔池底部為電磁力浮力驅(qū)動(dòng)下的流動(dòng)。隨著焊接電流的增加液態(tài)金屬流動(dòng)速度增加，由熔池邊緣流向熔池中心，并向下流動(dòng)。在此流場中，該流體對該區(qū)域熔池底部直接沖擊，將熱量傳遞到熔池底部，從而加劇了該區(qū)域金屬的熔化，增加了該區(qū)域熔深。電磁力為焊件中的分散電流產(chǎn)生的自感應(yīng)磁場，隨著電流的增加，磁場強(qiáng)度增加，電磁力產(chǎn)生的對流作用更明顯，導(dǎo)致熔深增加。

(a)I=280A;(b)I=300A;(c)I=320A圖3 不同焊接電流下熔池流場圖像

焊接熔池形貌主要受熔池流動(dòng)行為的影響。圖4 為保持其他工藝參數(shù)不變情況下，改變電流大小后，焊縫形貌的變化情況，a，b，c是電流分別為280 A，300 A,320 A情況下焊縫橫截面。從圖4中看出隨焊接電流的增加，熔寬略有增加，熔深增加明顯，熔池體積增加,可見焊接熔池形貌主要受熔池流動(dòng)行為的影響。

(a)I=280A;(b)I=300A;(c)I=320A圖4 不同焊接電流下熔池橫截面形貌

熔池形成的初期不穩(wěn)定，隨著時(shí)間迅速增大，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。圖5為熔池形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后的溫度場分布情況，從圖5中可以看出溫度場成對稱分布，前后呈錐尾狀，前段等溫線密集，溫度梯度大，后方溫度稀疏，溫度梯度小，熔池中心溫度最高。

(a)I=280A;(b)I=300A;(c)I=320A圖5 不同焊接電流下熔池表面溫度場

5 結(jié)論

(1)建立TIG焊接熔池模型，F(xiàn)LUENT可以方便的對TIG焊進(jìn)行模擬，直觀顯示焊接熔池形貌、溫度場、流場分布狀況；

(2)焊接進(jìn)行一段時(shí)間后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，溫度場關(guān)于焊縫近似對稱分布，并呈錐尾狀；

(3)焊接熔池內(nèi)部傳熱以對流傳熱為主，隨著焊接電流的增加熔深增加明顯，熔寬略有增加；

(4)焊接熔池表層，金屬液由中間流向邊緣，熔寬增加，熔池底層，金屬液由邊緣流向中間，使熔深增加。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉紅江)

SimulationoftheTIGmeltpoolof2A16aluminumalloy

MO Chun-li,GENG Xiao-wei,ZHOU Xiang-hai,CONG Rong

(College of Material Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang,110136)

Based on the FLUENT,this paper builds a moving TIG weld pool model of 2A16 aluminum alloy with different electromagnetic forces,surface tension and buoyancy.The changes of temperature fields,flowing distribution and the shapes of the weld pool with different weld current are simulated and visualized.The simulation shows that there are two parts in the weld pool,on the surface of which liquid metal flows from the intermediate to the edge and from the edge to the intermediate in the bottom.After a period of time,the weld condition gets into the quasi steady state with symmetric relation of the temperature field.The convective heat transmission is the most important style of heat transmission.With the increase of welding current,the weld penetration increases,and the weld width increase slightly.

FLUENT;weld pool;flowing distribution;temperature field;weld shape

2014-03-31

莫春立(1971-)，男，遼寧葫蘆島人，副教授，主要研究方向：焊接工藝及設(shè)備，E-mail:montecar24@hotmail.com。

2095-1248(2014)03-0045-04

TG40

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2014.03.009