考慮自由表面下的A-TIG與TIG焊的糊狀區演化分析

李慧

摘要：鎢極氬弧焊不僅可以焊接多種金屬而且焊縫性能好，但是它不能對中厚板進行焊接。而A-TIG焊就可以彌補這個缺點，進行中厚板的焊接。本文針對SUS304不銹鋼建立三維TIG及A-TIG焊接熔池模型，通過對糊狀區的演化進行分析，發現兩者在冷卻過程中，TIG焊凝固是從內向外凝固，而A-TIG焊則是由邊緣向中心凝固。

關鍵詞：焊接;自由表面;糊狀區

隨著科技的發展，金屬材料的種類越來越多，傳統的黑色金屬已經不能夠滿足人們對生活的日常要求，越來越多的有色金屬和不銹鋼進入我們的社會生產中。金屬需要進行有效的結合，才能被人們所應用，而焊接就是連接金屬的有效方法。而在眾多的焊接方法中，鎢極氬弧焊（Tungsten Inert GasTIG）的出現，使人們可以對不同金屬或異種金屬進行焊接，并且鎢極氬弧焊的焊縫成型性好并具有優良的力學性能，所以，一直被廣泛的學者關注。

TIG焊焊縫的性能雖然優越，但是TIG焊一般用于焊接薄板和打底焊，無法在中厚板中使用。而ATIG焊就是在TIG焊的基礎上，進行活性元素的導入，使其增加成倍熔深的一種方法。ATIG焊是一種高效焊接方法，它是在焊接過程中引入適量的活性元素，再活性元素改變焊接電弧和焊接熔池的行為。活性元素根據不同的機理對電弧和熔池進行作用，最終使熔深成倍的增加，明顯的提高焊接效率。

當活性TIG焊應用到不銹鋼中時，認為熔深的增加是基于活性元素的引入，使熔池中的液態金屬所具有的負的表面張力溫度系數改變成正的表面張力溫度系數，熔池流動方向發生改變，并對熔池起到挖掘的作用，從而成倍的增加熔深。在20世紀末期S.Kou[1-2]等人針對TIG焊建立了最早的三維熔池準穩態模型，研究熔池內部液態金屬的流動行為。趙朋成[3-4]等人建立了三維GTAW全熔透熔池的移動模型，并綜合考慮了全熔透熔池的上下表面的變化，并對它們的微量變化進行了整體的研究，并得出上下表面的熔池中液態金屬的變化規律。本文利用VOF的方法去追蹤自由界面的表面變形行為，并分別對TIG與ATIG焊縫中的糊狀區的演化進行研究，掌握它們之間的變化規律，對冷卻條件下控制熔池的流動研究進行鋪墊。

1 數學模型

1.1基本假設

熔池數學模型的基本假設如下：（1）熔池中的高溫金屬流動為層流、不可壓縮的Newton流體;（2）采用半橢球體體積熱源分布，高斯分布的電流密度; （3）Boussinesq假設成立; （4）除表面張力、熱導率和粘度外，其余熱物理常數與溫度無關。

1.2控制方程

根據1.1的基本假設，在笛卡爾坐標系下建立三維熔池模型，得到下列質量連續性方程、動量和能量方程的控制方程：

式中u，v，w分別代表x，y，z方向上的速度;p為金屬的密度;“為液態金屬的動力粘度系數;C。為定壓比熱容;λ為導熱系數;P為流體內部的壓力;T為溫度;Sx，S，S7分別表示x，y，z三個方向上的動量源項;ST為能量方程的源項。

1.3自由表面追蹤

熔池自由表面的形態變化是VOF算法進行跟蹤，該方法引入了流體體積分數F（x，y，z），該參數表面單位體積內流體所占的比例大小，方程如下：

在計算單元網格取平均值，即為該單元內流體金屬所在的體積分量。當F（x，y，z）-1時，代表整個單元格均是液榀當F（x，y，z）-0時，代表整個單元網格內全是氣相;當O

2 計算材料及區域

本文所使用的材料為SUS304不銹鋼，計算區域為16mm×20mm×lOmm，其中氣相計算域尺寸為16mm×20mm×2mm，金屬相計算域尺寸為16mm×20mm×8mm。由于整個區域關于XZ面和YZ面對稱，所以為了減少計算量加快計算速度，所以只計算四分之一的區域。因為考慮自由表面的微量變形，所以在氣相與金屬相之間的界面加密網格。計算中的時間步長設為10-5s。

3 模擬結果及討論

高溫下大電流TIG焊的熔池形狀為如圖1所示，熔池形狀成寬且淺的形狀，這是因為在TIG焊熔池中，馬蘭戈尼流是從中間向邊緣移動，導致中間來自于電弧的熱被帶到了邊緣，從而形成寬的熔池。而又因為是大電流下的熔池，中間部位的熱沒有充分的擴散到周邊位置，還留有一部分的熱量在中間，以至于中間部位的熔深較深。在圖1中的綠色區域的溫度在1670K至1723K，而1670K為SUS304不銹鋼的液相點，1723K為固相點。所以綠色的區域就為糊狀區，從TIG焊不同時間下糊狀區的變化可以看出，TIG焊在冷卻過程中，熔池邊緣先冷卻，隨后，熔池中心才逐漸凝固。

高溫下大電流（200A） TIG焊的熔池形狀為如圖1所示，熔池形狀成寬且淺的形狀，這是因為在TIG焊熔池中，馬蘭戈尼流是從中間向邊緣移動，導致中間來自于電弧的熱被帶到了邊緣，從而形成寬的熔池。而又因為是大電流下的熔池，中間部位的熱沒有充分的擴散到周邊位置，還留有一部分的熱量在中間，以至于中間部位的熔深較深。在圖l中的綠色區域的溫度在1670K至1723K，而1670K為SUS304不銹鋼的液相點，1723K為固相點。所以綠色的區域就為糊狀區，從TIG焊不同時間下糊狀區的變化可以看出，TIG焊在冷卻過程中，整個凝固時間為0. 38s，并且熔池是由內部向外部進行凝固，最后的液相存在于表面。

ATIG焊的熔池形狀為如圖2所示，熔池形狀成窄且深的形狀，這是因為在ATIG焊熔池中，馬蘭戈尼流是從邊緣向中間移動，導致中間來自于電弧的熱被帶到了熔池底部，從而形成深的熔池。從ATIG焊不同時間下糊狀區的變化可以看出，ATIG焊在冷卻過程中，整個凝固時間為0.68s，遠大干TIG焊的凝固時間，并且熔池是由邊緣向內部進行凝固，最后的液相存在于熔池中心，容易產生縮孔現象。