基于Fluent熔池內(nèi)部受力的數(shù)值分析

石 玗，郭朝博，許樂(lè)生，李衛(wèi)東，黃健康，樊 丁

(1.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730050)

導(dǎo)熱系數(shù)ac

基于Fluent熔池內(nèi)部受力的數(shù)值分析

石 玗1，郭朝博2，許樂(lè)生2，李衛(wèi)東2，黃健康2，樊 丁1

(1.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730050；2.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，甘肅蘭州730050)

根據(jù)TIG焊熔池的實(shí)際情況，建立了定點(diǎn)熱源作用下TIG熔池的二維軸對(duì)稱數(shù)學(xué)模型。利用FLUENT軟件及其UDF進(jìn)行二次開發(fā)，同時(shí)考慮了相變潛熱、材料熱物理性參數(shù)隨溫度變化等問(wèn)題，對(duì)熔池中的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了熔池內(nèi)部所受到的浮力、Marangoni力、電磁力和電弧力等對(duì)其流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的影響規(guī)律，特別是針對(duì)Marangoni力和電磁力對(duì)熔池流動(dòng)的影響情況進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明，焊接電流和表面張力溫度系數(shù)對(duì)熔池內(nèi)部流動(dòng)有著至關(guān)重要的影響，決定了TIG熔池的截面形貌。

TIG熔池；受力分析；電流；表面張力溫度系數(shù)

0 前言

焊接熔池是焊接中最重要也是最復(fù)雜的部位,其中涉及到電場(chǎng)、熱場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)的交互作用，在這些場(chǎng)的作用之下熔池受到各種力的作用，其中包括電磁力、Marangoni力、浮力、電弧壓力等。這些力的單獨(dú)作用或者聯(lián)合作用，對(duì)焊接熔池產(chǎn)生了重大的影響[1]。由于很難采用實(shí)驗(yàn)手段直接觀察焊接熔池及內(nèi)部流動(dòng)，采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)焊接熔池進(jìn)行定量研究，并以此來(lái)研究熔池中熱流和流體流動(dòng)對(duì)熔池的幾何形狀、溫度梯度的影響，這已成為近年來(lái)比較重要的研究課題[2]。對(duì)于TIG熔池，MIT的Oreper和Szekeley于1984年首次對(duì)電弧固定時(shí)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(guò)程建立了數(shù)學(xué)模型[3]，從此熔池中流體流動(dòng)及傳熱過(guò)程的數(shù)值模擬受到普遍關(guān)注。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)焊接熔池的數(shù)值分析進(jìn)行了大量的研究工作。其中文獻(xiàn)[4]、[5]對(duì)微量活性組元通過(guò)影響熔池表面張力溫度系數(shù)，改變?nèi)鄢乇砻鍹arangoni對(duì)流進(jìn)行了數(shù)值分析。文獻(xiàn)[6]應(yīng)用Fluent軟件對(duì)焊接熔池進(jìn)行了初步分析。

在此對(duì)TIG熔池內(nèi)部的浮力、Marangoni力、電磁力和電弧壓力等進(jìn)行分析，特別是對(duì)Marangoni力和電磁力對(duì)熔池流動(dòng)的影響規(guī)律進(jìn)行了深入的分析。采用Fluent軟件，考慮相變潛熱、材料熱物理性能參數(shù)隨溫度變化等問(wèn)題，建立了控制方程，并對(duì)UDF進(jìn)行了二次開發(fā)，從而對(duì)TIG熔池進(jìn)行了數(shù)值分析，獲得了不同電流下的電磁力及不同表面張力溫度系數(shù)對(duì)熔池內(nèi)部流動(dòng)的影響規(guī)律，進(jìn)而造成熔池截面的變化。

1 熔池模型及受力分析

1.1 基本假設(shè)

熔池的數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示，在計(jì)算中對(duì)熔池作如下假設(shè)：(1)熔池的自由表面為平面；(2)來(lái)源于電弧的熱流密度分布和電流密度為高斯分布；(3)熔池為層流、不可壓縮流體，其流動(dòng)和傳熱是軸對(duì)稱的。

圖1 TIG熔池模型示意圖

1.2 基本控制方程

根據(jù)上述假設(shè)，由質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程得到如下控制方程。

連續(xù)性方程：

徑向動(dòng)量守恒方程：

軸向動(dòng)量守恒方程：

能量守恒方程：

式(1)～式(4)中：ρ為密度；u、v分別為r、z方向上的速度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；p為壓力；Sr、Sz分別為r、z方向上的動(dòng)量源項(xiàng)；Δ H為熔化相變潛熱。

1.3 熔池的受力分析

對(duì)于TIG熔池，其主要受到浮力、表面張力、電磁力和電弧壓力等作用。

浮力：

對(duì)于熔池所受到的電磁力，其公式為：

其中，徑向電磁力：

軸向電磁力：

熔池表面受到電弧壓力和表面張力的作用，其中電弧壓力：

表面張力由熔池表面的表面張力梯度(Marangoni力)提供，且與表面流體的粘性剪切力相平行：

式(10)中，左為表面流體的粘性剪切力，右為Marangoni力。

式(5)～式(10)中：β 為膨脹系數(shù)；σj為電流發(fā)布參數(shù)；μm為真空導(dǎo)磁率。

浮力、電磁力與表面張力對(duì)熔池流動(dòng)產(chǎn)生的影響最大。其中電磁力主要由電流I決定，Marangoni力主要由表面張力溫度系數(shù)?γ／?T決定。

1.4 邊界條件

對(duì)于上表面AE，可分為熔池區(qū)AF與非熔池區(qū)FE，在邊界AF上：

其中qarc為電弧輸入熱，表示為

在邊界FE上：

在下表面CD與側(cè)面DE上，其約束方程有：

在對(duì)軸線AC上，其約束方程有：

在式(11)～式(19)中：ac為換熱系數(shù)；ε為輻射系數(shù)；ω為蒸發(fā)系數(shù)。

2 Fluent模擬及結(jié)果分析

2.1 Fluent數(shù)值求解

采用Fluent軟件編制UDF程序，將電磁力、浮力、相變潛熱加入動(dòng)量源項(xiàng)中，Marangoni力、電弧熱及電弧壓力等通過(guò)邊界條件加入到Fluent軟件相應(yīng)接口處，對(duì)熔池內(nèi)部的流體流動(dòng)及傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析。計(jì)算所采用的材料為0Cr18Ni9不銹鋼。

模擬所涉及主要參數(shù)有：

導(dǎo)熱系數(shù)λ

導(dǎo)熱系數(shù)ac

粘度系數(shù)：

密度ρ＝7 200 kg／m3；液相溫度Tm＝1 723 K；固相溫度Ts＝1 713 K；膨脹系數(shù)β＝1×10-4；有效因數(shù)η＝0.65；電壓U＝14 V。以上數(shù)據(jù)選自文獻(xiàn)[7]。

2.2 結(jié)果分析

圖2和圖3分別為不同電流下的電磁力與不同表面張力溫度梯度系數(shù)下的表面張力對(duì)熔池的影響。左邊為溫度等高線分布，右邊為熔池流場(chǎng)及熔合線。

圖2 不同電流下的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)

從圖2中可以看到，恒定表面張力溫度系數(shù)(?γ／?T＝-4.3e-4)下，在不同的電流時(shí)(I分別為80 A、100 A、120 A)，熔池的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的變化情況。Marangoni對(duì)流方向從熔池中心指向熔池周邊，熔池表面形成外對(duì)流模式，有利于將熔池斑點(diǎn)熱向周邊傳遞，由于電流的增大使作用在工件表面的電弧能量增大，最終使熔寬增大。然而在遠(yuǎn)離熔池表面靠近對(duì)稱軸的熔池底部存在一個(gè)向下的對(duì)流，這一對(duì)流是由電磁力引起的，且隨著電流的增加，熔池中的電磁力不斷增大，使熔池的熔深不斷增加。可見熔池的熔寬是由Marangoni力決定的，而熔深是由電磁力決定的，由于電磁力的作用小于Marangoni力，因此形成一個(gè)寬而淺的熔池。

圖3是在恒定電流(I＝100 A)下，不同表面張力溫度系數(shù)時(shí)，焊接熔池的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的變化情況。

圖3 不同表面張力溫度梯度系數(shù)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)

當(dāng)表面張力溫度系數(shù)為負(fù)時(shí)，Marangoni對(duì)流方向始終從熔池中心指向熔池周邊，且隨著表面張力溫度梯度系數(shù)的增加，Marangoni對(duì)流逐漸減弱，使熔池內(nèi)部的流動(dòng)速度不斷減小，導(dǎo)致熔池斑點(diǎn)熱向周邊傳遞的能力減弱，最終使熔寬不斷減小，熔深不斷增加。當(dāng)表面張力溫度梯度系數(shù)為正時(shí)，Marangoni對(duì)流方向從熔池周邊指向熔池中心，不利于將熔池的斑點(diǎn)熱傳向四周，熔池的流場(chǎng)方向由順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針?lè)较颍罱K形成窄而深的熔池。

由于熔池內(nèi)部的流場(chǎng)是由電磁力、浮力、表面張力等驅(qū)動(dòng)力共同作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中電磁力和浮力不能改變?nèi)鄢貎?nèi)流場(chǎng)的總體趨勢(shì)，只能改變?nèi)鄢伢w積的大小，而表面張力溫度系數(shù)的改變對(duì)熔池內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的影響至關(guān)重要，遠(yuǎn)大于電磁力和浮力的作用。

3 結(jié)論

(1)表面張力對(duì)熔池內(nèi)部流動(dòng)的作用遠(yuǎn)大于浮力和電磁力的作用。

(2)熔池的熔寬由Marangoni力決定的，而熔深由電磁力決定。

(3)在恒定電流下，隨著表面張力溫度系數(shù)的增加，熔寬減小，熔深增加。當(dāng)表面張力溫度系數(shù)由負(fù)變?yōu)檎龝r(shí)，熔池內(nèi)部由順時(shí)針流動(dòng)變?yōu)槟鏁r(shí)針流動(dòng)。

[1]武傳松.焊接熱過(guò)程與熔池形態(tài)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]汪建華.焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[3] Oreper G.M，Szekely J.Heat and fluid flow phenomena in weld pools[J].Fluid Mechanics，1984(174)：53-79.

[4]董文超，陸善平，李殿中，等.微量活性組元氧對(duì)焊接熔池對(duì)流和Marangoni熔池形貌影響的數(shù)值模擬[J].金屬學(xué)報(bào)，2008，44(2)：249-256.

[5]張瑞華，尹 燕，樊 丁.A-TIG焊熔深增加機(jī)理的數(shù)值模擬[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(5)：175-180.

[6] 朱立奎，雷永平，史耀武.Fluent在焊接模擬中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2007，37(8)：13-19.

[7]武傳松.焊接熱過(guò)程數(shù)值分析[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

Numerical simulation of the force in TIG welding pool based on fluent

SHI Yu1，GUO Chao-bo2，XU Le-sheng2，LI Wei-dong2，HUANG Jian-kang2，F(xiàn)AN Ding1
(1.Key Laboratory of Non-ferrous Metal Alloys，The Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China；2.State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

In this article，according to the actual situation of the Tungsten Inert Gas(TIG)welding pool，a two-dimensional axisymmetric model of the stationary TIG weld pool is developed.The secondary development of Fluent with UDF，considering the latent heat and thermophysical parameters which are changing with temperature，gains the data of temperature field and flow field of weld pool,then analyzes the influence of buoyant force，Marangoni force，electromagnetic force and arc force.Especially，the influence of Marangoni force and electromagnetic force are deep analysis.The results showed that：The welding current and surface tension temperature coefficient has a critical influence on the internal flow of weld pool and determines the shape of TIG welding pool.

TIG welding pool；force analysis；current；surface tension temperature coefficient

TG404

A

1001-2303(2011)09-0021-04

2010-07-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(50805073)；教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(210229)；蘭州理工大學(xué)優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃(Q200901)

石 玗(1973—)，男，湖北武漢人，博士，副教授，主要從事焊接物理和機(jī)器人自動(dòng)化焊接的研究。