薄板在CO2氣體保護焊電弧作用下的溫度場模擬

喬泉智

摘要：近年以來，由于模擬技術的成熟，各種新型焊接方法的的模擬層出不窮，可是對于傳統的CO2氣體保護焊的模擬研究卻比較少，本文就在這樣的背景下基于CFD技術，使用Flent軟件對最常用的Q235薄板在二氧化碳氣體保護焊溫度場作用下的基本情況進行了模擬，分析了CO2氣體保護焊溫度場的基本情況結合對CO2氣體保護焊電弧高速攝影影像的結果，得到了受到焊接影響下的能量分布情況、過渡形式等。證明了本文所建的模型具有一定研究價值。

關鍵詞：溫度場；CO2氣體保護焊；模擬，Q235

1.課題背景及意義

二氧化碳氣體保護焊是一個已經相對成熟的焊接方法。而傳統的研究多以實驗的方法進行研究，使用數值模擬研究的方法來研究這個領域的實例比較少，本文將基于Fluent流場模擬軟件來進行對二氧化碳氣體保護焊溫度場情況的模擬，考慮到實際情況過于復雜，我們簡化了一些參數，整體過程控制在可接受的范圍內。能充分的體現氣體保護焊溫度分布的特點，使我們能更好地認識、研究氣體保護焊過程中的各種情況。從溫度場角度揭示氣體保護焊材料的成型過程。

Fluent概述。FLUENT主要優勢在于可以提供多種多樣的網格劃分模式。這樣使用者根據所模擬的情況不同選擇使用不同類型的劃分方式，使模擬結果更貼近于實際。Fluent不可或缺這三個步驟包括：前處理軟件后期處理軟件和求解。由于技術水平，我們本次采用GAMBIT作為模擬的前置處理軟件，進行幾何建模，在Fluent中導入網格化的模型求解。

2.簡化條件

首先，我們假定流體是牛頓流體，處于不可壓縮狀。然后，我們忽略焊接過程中輻射換熱造成的二次熱吸收。忽略弧壓力等復雜的作用力。假設焊接材料本身是水平面，焊縫區域也不因發生加熱而變成凹凸不平面。假定熱源的分布規律是一個中間集中，而周圍較少的正態分布，即高斯分布；建立幾何模型。我們研究的主要材料為q235鋼，我們取一塊4*50*80mm的q235鋼板進行模擬。將這個規格輸入GMABIT之中，得到了一塊幾何體，對這個幾何體劃分網格。由于這個幾何模型是一個非常標準的六面體，我們采取與它本體更為接近的六面體網格劃分法來將其網格化，我們采用了網格自適應；熱源模型的制定。我們在這次研究中所采用的薄板，可以簡化為一個平面所以我們采用面熱源，同時采用了高斯分布作為這種熱源的模型；邊界條件。我們假設工件在室溫下進行工作，室溫為20攝氏度左右，為計算方便取整K氏溫度300，假設工件換熱方式只有對流換熱和輻射換熱兩種，忽略其他換熱過程，假設工件溫度輸出點從工件底部的中心點開始，沿直線運動到工件頂部中點，工件向周圍散熱忽略。

3.結果與分析

通過高速攝影過程的分析可以得知，中心部分為焊絲熔化，焊絲下方的部分是熔池，通過對焊接熔池形態的觀察我們發現電弧攪拌了焊接熔池使其呈現沸騰狀態。焊接過程中通過焊材溫度的測量2457k，初步認定這個溫度就是二氧化碳氣體保護焊接過程的最高溫度。

結合以上結果采用Fluent軟件對被焊工件加以模擬，使用上文中介紹過的簡化模型作為焊接的工件與熱源模型，得到結果將被焊件分成11個區域，由10條線劃分，這些線是等溫線，等溫線就是把一個區域上溫度一致的各個點連接到一起形成的線，兩條等溫線之間的溫度介于兩線顯示的溫度范圍之間，所有的等溫線不可以相交整個焊接溫度場區域產生了明顯的“拖尾現象”，而溫度場前端等溫線極為密集，可以明顯的發現這個焊接過程中焊接作用范圍比較小，溫度梯度大。

在本實驗中使用CO2氣體保護焊焊絲直徑取0.8mm，焊接電流取120A，焊接電壓取20V，由公式計算可知這種模型下的能量輸出不會將被焊工件燒穿，焊接速度10mm/s。通過二氧化碳氣體保護焊溫度場穩定狀態下的示意圖，我們可以看出二保焊過程中圖像形狀類似“倒置液滴”的形狀，焊接過程中隨著焊絲的前進，焊接局部區域的板材融化形成焊接熔池。由于熔池是液化金屬形成的，它的基本形態是一個液相狀態，這個液相狀態的焊接熔池形成在焊絲周圍，由于液相對焊絲的阻礙比固液混合小，所以焊絲處于熔池比較靠前的位置。溫度場分布不均勻，過渡的區間較小。焊絲身后的熔池是液體，它對此區域起到存在保溫的作用，而焊絲前方的區域是未融化的金屬，該區域內的金屬吸熱融化，使得該區域溫度升高速度比較慢。所以溫度場整體是以焊絲為中心前方短而寬，總的來說這種形態是由于對流換熱造成的。

通過焊接熱循環曲線可以看出這個區域溫度梯度的下降情況，來看整個焊接區域核心區域溫度2470k，接下來占1500k以上液項區域約寬3mm，而根據溫度分配情況我們可以發現整個焊接接頭區域的影響范圍寬度約為10mm，區域內溫度下降速度非常快，存在很大的溫度梯度，以至于整個區域之中的氣體不能充分釋放大大提高了該區域產生氣孔的可能性。

在二氧化碳氣體保護焊的過程中能量損失的部分約為34%。我們可以發現作用于板材上的熱量首先融化了上層金屬，直到整個焊縫區域的金屬融化成液體，在電弧的攪拌作用下不斷流動，這些金屬液體又向下繼續傳熱使下層金屬融化，同時向周圍金屬傳熱。而其他不能融化的區域金屬升溫較慢，溫度提升速度也比較小，可知這個區域沒有受到電弧的直接加熱，傳熱的主要形式為熱傳導，它的傳熱速度要小于對流換熱。

4.結論

采用了CFD模擬軟件Fluent對最常見的CO2氣體保護焊建立了三維的薄板模型，以及高斯熱源模型，得出了溫度場分布。通過高速攝影了解了過渡形態。電弧在焊接過程中非常不穩定，不斷躍遷。模擬結果顯示模型中CO2氣體保護焊焊接過程溫度最高為2470k，溫度場分布呈現“液滴”形狀，熔池區溫度下降速度遠遠快于其他金屬區域，分析可知其溫差梯度大。結合高速影像我們發現，焊接過程通過電弧和熔滴將熱量傳入板材，焊縫區域傳熱形式為對流換熱，其他未融化金屬區域則主要是熱傳導，故焊縫區域整體溫度提升極快。可以判斷焊接過程中絕大部分的能量主要消耗在這個區域用以熔化金屬形成熔池。

參考文獻

[1]高洪明.雙面電弧焊接熔池溫度場與流場數值模擬及其機理探討[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學.2001

[2]張亞斌.基于Fluent的鋁合金電子束深熔焊三維流場數值模擬「D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.