基于FLOW-3D的GMAW焊熔池行為數值分析模型

胥國祥，錢紅偉，朱 杰，胡慶賢，CHO Jungho, SUN Jinbake

(1.江蘇科技大學 江蘇省先進焊接技術重點實驗室，鎮江 212100) (2.韓國忠北國立大學 機械工程學院，青州 28644)

熔化極氣體保護焊(gas metal arc welding,GMAW)過程涉及多物理場耦合，內部物理機制非常復雜.而熔池動態行為與焊縫成形、接頭組織性能密切相關，繼而最終影響焊接質量[1]，因此，全面、深入、準確地了解GMAW傳熱、傳質等物理現象，有助于優化工藝參數、提高焊接過程的穩定性及智能化.受制于試驗方法的限制，熔池內部物理過程難于檢測.而隨著計算機技術、數值計算技術及商用軟件的發展，數值模擬已成為研究焊接物理過程及預測焊縫成形和焊接質量的強有力手段，不僅彌補了試驗手段的不足，也能夠大幅降低焊接工藝優化及制定的人力、財力和物力成本，從而引起人們越來越多的重視[1].

針對GMAW焊，研究者已進行了大量的數值模擬研究，包括溫度場[1]、熔池流體流動[2-3]、溶滴過渡[4]、電弧[5]等方面.文獻[6]基于貼體坐標建立了GMAW焊準穩態熔池動態三維數值分析模型；該模型利用熔池液體金屬體積的變化表征填充金屬對焊縫余高的影響，采用固定的熔滴沖擊力模型描述熔滴對熔池動態行為的作用；該模型可以模擬計算準穩態條件下熔池流體流動，無法全面地模擬熔池瞬態波動行為.文獻[7]利用流體體積法(volume of fluid method，VOF)法追蹤熔池自由界面，通過質量源項描述熔滴過渡過程，建立了電弧-熔滴-熔池三者耦合的三維模型；該模型計算成本相對較高，且難于對飛濺等缺陷進行模擬計算.文獻[8-9]通過FLUENT軟件建立了GMAW焊熔池流體流態的瞬態模型；該模型涉及氣-液-固三相耦合，同樣利用VOF法追蹤氣液界面，將熔滴過渡視為從熔池上部高速進入熔池內部的液體金屬，利用液態金屬流速的脈沖變化反映熔滴過渡.但是由于FLUENT軟件低溫(固相線以下)流體流速難以有效控制，故該軟件在模擬焊縫成形方法存在不足.FLOW-3D軟件基于Tru-VOF法，實現了氣液自由界面的定位、捕捉以及邊界條件在自由界面的應用.相較于其他商業軟件的Pseudo-VOF法，能夠更適合焊縫成形及飛濺、駝峰、咬邊等焊接缺陷的模擬計算.

基于FLOW-3D的特點，文中建立了GMAW焊熔池動態行為三維瞬態數值分析模型，對GMAW堆焊熔池流體流動進行模擬計算，分析了其熔池動態行為特征，為深入理解焊縫成形機理提供技術支撐和基礎數據.

1 數學模型

1.1 控制方程

將熔池內流體假定為不可壓縮、牛頓流體，流體模式為層流，采用焓-孔隙法表征材料的凝固熔化過程，計算過程中的能量、動量、質量控制方程為：

(1)

(2)

(3)

1.2 熱源模型

對于GMAW，熱輸入主要源于電弧.在焊接熱源移動過程中，電弧中心前部區域受到壓縮，而后部區域產生后托，故文中采用作用于熔池表面的雙橢圓平面熱源表征電弧熱流分布，其分布函數如下：

(4)

(5)

式中：η為電弧熱效率；I為焊接電流；U為電弧電壓；af、ar和b為分布參數.

1.3 熔滴過渡

在GMAW焊接過程中，高溫熔滴快速沖擊熔池表面，對熔池產生重要熱力作用，繼而影響最終的焊接過程及焊縫成形.為了合理、準確地模擬GMAW熔池動態行為，必須考慮熔滴熱力影響.通過高溫液態金屬的質量源項描述熔滴產生過程，熔滴溫度設定為常溫[9]；并假定熔滴直徑與焊絲直徑相同，熔滴產生(過渡)頻率由送絲速度及熔滴尺寸確定，熔滴初始速度由下式計算.

(6)

式中rd為熔滴直徑.

熔滴過渡時受重力、電磁力及電弧等離子體拖拽力影響，三者表達式如下:

(7)

(8)

(9)

式中：Fg、Fem和Fd分別為重力、電磁力和等離子體拖拽力；rd為熔滴半徑；rw為焊絲半徑；g為重力加速度；cd為拖拽力系數；ρp為等離子體密度，文中取氬氣密度；kp為計算系數，取0.5.

1.4 VOF法

利用流體體積法VOF確定熔池自由界面，流體體積函數F控制方程如下：

(10)

式中：SF為源項，與質量守恒方程源項有關.如上所述，相較于FLUENT等軟件，Flow-3D軟件中VOF算法真正實現了對熔池自由表面追蹤三步追蹤，能夠更準確地對復雜焊接成形缺陷模擬計算.

1.5 邊界條件

為了簡化計算，取二分之一工件作為計算區域，尺寸為30 mm×20 mm×8 mm，如圖1；其中，上部4 mm區域處為Void區域，無空氣填充.焊件上表面考慮電弧對工件的加熱及對流換熱、輻射、蒸發等散熱過程，其能量條件如下：

圖1 計算區域示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic of calculation domain(unit:mm)

(11)

式中：n為局部表面的法向矢量；hc為對流換熱系數；ε為黑度系數；σ為玻爾茲曼常數；Lb為蒸發潛熱；mer為蒸發率.焊件下表面無電弧熱流加熱，邊界條件僅考慮散熱過程.

而對于對稱面，

(12)

同時，GMAW焊時多種力作用于熔池自由表面，包括電弧壓力、熔滴沖擊力、表面張力、Marangoni力、電弧等離子體切應力等.其中，熔滴沖擊力由熔滴過渡模型在計算中確定.

與電弧熱流分布相對應，由高速電弧等離子體沖擊引起的電弧壓力同樣采用雙橢圓分布模式，其分布函數如下所示：

x-vt≥0

(13)

x-vt<0

(14)

式中：C為電弧壓力調節系數；μ0為材料的磁導率；aj1、aj2、bj為焊接電流密度分布參數.

除電弧壓力外，電弧等離子體與液態熔池自由表面的相對運動也會產生切應力，其對熔池流體流態及焊縫成形同樣會產生影響[11].為了簡化模型，文中采用如下簡易模型[13]描述.

(15)

式中：g2為通用函數；vp為等離子體流速，依據文獻[8]確定；Ha為噴嘴高度，取電弧長度；Dn為焊絲直徑；R0為雷諾數.

2 結果與討論

利用上述所建模型，基于FLOW-3D軟件，對GMAW堆焊過程進行模擬計算.為了驗證模型的合理性，文中分別以碳鋼和鋁合金為例，對于碳鋼，焊接電流取200 A，電弧電壓為21 V，焊接速度為0.6 m/min.母材為4 mm厚Q235鋼；計算中所需材料熱物理性能參數見文獻[9].

圖2為不同時刻碳鋼GMAW熔池縱截面溫度場及流場的計算結果.由圖2(a)可以看出，當t=0.49 s時，熔池上部的熔滴剛剛形成；此刻，在熔池內部，受電弧壓力和Marangoni力影響，熔池前部電弧作用區域液態金屬高速向熔池后部流動，并在熔池尾部形成液態金屬堆積(該部分液態金屬凝固后便形成焊縫余高)；同時，在重力和表面張力作用下，熔池后部金屬堆積區域表面部分液態金屬分別向熔池前部和尾部流動.此外，由圖2(a)還可看出，在該時刻，熔池前部出現一定程度的飛濺.當t=0.51 s時，熔滴剛剛抵達熔池.在熔滴沖擊力作用下，熔池前部液態金屬向后的流動增強，熔池尾部金屬堆積區域高度增加；同時，熔池前部和后部的飛濺也有所增多.而隨著時間的推移，熔滴沖擊力影響減弱，在熔池靜壓力作用下，熔池中部區域重新產生向前的流動，液態金屬堆積高度略有減小，如圖2(d).由圖2可以看出，由于熔滴對熔池的熱力影響具有周期性、瞬時性，故GMAW焊接時，熔池行為始終處于周期性動蕩變化中，無法真正達到準穩態，該計算結果與實際焊接過程更為吻合.因此，相較于前期模型[6-8]，該模型能夠更為合理、真實地描述熔池動力學特征.

圖2 GMAW焊熔池縱截面溫度場與速度場的演化過程Fig.2 Evolution of temperature and velocity fields atlongitudinal section of weld pool in GMAW

3 結論

(1) 基于FLOW-3D軟件，建立了GMAW焊熔池行為三維瞬態數值分析模型，該模型通過高溫液態金屬的質量源項表征熔滴過渡，采用雙橢圓平面熱源描述電弧熱輸入；同時，模型還考慮了電弧壓力、電弧等離子體切應力、熔滴沖擊力、電磁力、重力、浮力、表面張力等作用于熔池的主要力源.

(2) 利用所建模型對碳鋼GMAW焊熔池熱場及流體流動進行模擬計算，計算結果能夠合理、準確地反映GMAW焊熔池的動態行為特征，故該模型可為全面、深入理解GMAW焊接物理過程、研究其成形機理提供了有力支撐.

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