GTAW电弧温度场与流场数值模拟
出了三维尺寸下的计算结果c%d$.7H7: SH><:’武传松和 雷永平等人分别对稳态下的 JI-] 电弧和熔池的流 场和温度场进行了耦合计算cNf!’d$董红刚利用 /231456, 对固定电弧等离子弧焊接热传导进行了数值计算c!!d& 张瑞华用该软件模拟了焊接过程非稳态的熔池温 度场分布c!"d$
图’
电弧的流场流态
和阴极区分别呈现较大的压力分布 ! 而远离这 - 个 区域!压力相应的减小 " 这一结果与文献549的计算结 果是相吻合的 "
图 - 电弧温度场分布
图 4 为电弧轴向的速度场的计算结果 " 等离子 体在自感应电磁场的中受到向阳极试板的电磁力 ! 磁场强度在阴极尖端附近最大 ! 速度场强度在电弧 阴极与阳极间最大 ! 远离这个对称轴则流速逐渐降 低 " 在电弧阴极的侧面 ! 速度是与坐标轴是反向的 ! 因为电弧的高温区域出现在阴极前端 ! 自然对流加 上电磁力使得该区域的速度呈现负值 " 图 ’ 为电弧 流场的流态 !箭头方向为流体的流动方向 "在阴极区 周围的层流性不好 ! 电极端头附近的少量气流是沿 着电极向上流动 !形成一个漩涡流 " 图 2 为电弧压力场的计算结果 ! 电弧的阳极区
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等人将自由燃烧电弧中的热辐射 ’ 流场 ’ 温度场进 行了耦合分析计算cPd$ / Q8AB:C>A 和 e e J:CW7;AH 给
收稿日期 !"’’*K’"K!% 基金项目 ! 教育部春晖计划资助项目 作 者 简 介 ! 樊 丁 L!‘P! %a&男 & 甘 肃 合 水 人 & 教 授 & 博 士 生 导
师 &主 要 从 事 焊 接 物 理 ’ 新 型 焊 接 方 法 以 及 焊 接 智能控制等方面研究工作 $
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樊
丁等 &EF%G 电弧温度场与流场数值模拟
Байду номын сангаас
第8期
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数学模型
基本假设
电弧是轴对称的 ! 计算将采用柱坐标系 " 弧长
动 !计算了电弧温度场和速度场的分布 $ 方程的求解采用以 ,-./01 算法为基础编写的通用热流计 算软件% %% /231456,#/7879:;<= >?@A89:;<= :8 A;;<@B<= CDEA8<=7; <CBAF87B<:C =:GA HA8<AH+$计算的条件为 电弧电流 "’’ - &弧长 !’ EE& 氩气作保护气体 $ 计算得到的电弧温度’流体速度和电势分布与文献报 导的测量结果吻合良好 $
Q-4 R<CF!&RS 2D7T?DC!&"&U2-4J VD<T>D7! L!)07CW>:D SC<XA8H<B? :Y IA=>C:;:F?&,B7BA ZA? 079:87B:8? :Y J7CHD 4A[ 4:CTYA88:DH .AB7; .7BA8<7;H &07CW>:D %&’’(’&6><C7"")6:;;AFA :Y .7BA8<7;H ,=<AC=A 7CG 1CF<CAA8<CF &I7<?D7C SC<X) :Y IA=>)&I7<?D7C ’&’’"*&6><C7+ -9HB87=B # 5C B><H 78B<=;A &7 HBA7G? B[:TG<EACH<:C7; L"R+7\<H?EEAB8<= E:GA; >7H 9AAC GAXA;:@AG <C :8GA8 B: <CXAHB<F7BA >A7B 7CG Y;D<G
# 图2 电弧的压力场分布
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丁等 $BCDE 电弧温度场与流场数值模拟
第.期
图 ! 示出了电弧对称轴线上的电弧压力 ! 电势 ! 速度和温度分布情况 " 电弧的阴极尖端在轴向距离 的 "#$ %% 处 # 图中可以看出尖端电势为 &’"(! )# 在
ZA? [:8GH#JI-]T78= "CDEA8<=7; H<ED;7B<:C "/231456, H:YB[78A"BAE@A87BD8AT@8:Y<;AH"Y;D<GT@8:Y<;AH
序言
JI-]LJ7H IDCFHBAC -8= ]A;G<CF+ 电 弧 燃 烧 过
程是一个非平衡的 ’ 瞬时的 ’ 极不均匀的物理化学 过程 &它涉及电弧物理 ’ 辐射和热力学等方面 $ 由于 弧光的干扰 &焊接过程的实时检测与监控变得困难 & 数值模拟是有效研究方法 $.7H7: SH><: 等人早在
$# 通过计算 # 给 出 了 自 由 燃 烧 CIB 电 弧 的 温
度场 #流场和压力场的分布情况 " 分析表明本计算结 果与文献测量结果吻合良好 "
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关键词 (I5J 电弧 "数值模拟 "/231456, 软件 "温度场 "流场 中图分类号 #IJ*’" 文献标识码#文章编号#!’’!K"&’&L"’’*M’NO’’’PO’*
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二维的自由燃烧电弧如图 ! 所示 " 电极锥角为 5"A"425674 是求解区域 #
轴向表达式
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能量方程
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第
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樊 丁 !!杜华云 !!"!张瑞华 !
#!$ 兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料国家重点实验室 ! 甘肃 兰州 %&’’(’"") 太原 理工大学 材料科学与工程学院 !山西 太原 ’&’’"*+ 摘要#基于自由燃烧的钨极氩弧焊电弧建立了二维稳态的轴对称模型 !研究了电弧的传热和流体流
!‘N" 年就对焊接电弧的传热过程进行了分析计算c!d$ e e 0:[_A 和 0),7CH:CCACH 等人计算了双极扩散作
用下的自由燃烧模型c"d$ 樊丁和陈剑虹等人建立了较 完善的焊接电弧传热传质过程的数学模型 & 考虑了 紊流 &得出的温度场流场与实际相接近
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/231456, 是英国帝国理工学院 R g ,@7;G<CF 教授所创立的 62-. 公司的主要产品 $ 该软件应用
在 42 边界
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在 25 边界
固定电弧等离子弧焊接热传导的数值计算
固定电弧等离子弧焊接热传导的数值计算董红刚, 高洪明, 吴 林(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨 150001)摘 要:针对固定电弧等离子弧焊接过程建立了二维稳态热传导模型,在模型中考虑了工件表面与周围环境换热及辐射散热对整个焊接热过程的影响,并且将焊接电流在流经工件时产生的焦耳热作为热能方程的源项进行计算。
针对所建立的模型,采用大型商业软件PHOEN ICS(Parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series)对工件中的温度场以及电流密度的分布进行了计算。
采用该软件对焊接热过程进行数值模拟,可以很方便地对求解变量和边界条件进行操作,显著提高了效率。
比较结果显示,计算结果与实际测量结果吻合良好。
关键词:固定电弧;等离子弧焊;热传导;数值计算中图分类号:TG402 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2002)04-24-04董红刚0 序 言在焊接领域,针对传统的非熔化极钨极氩弧焊(GTAW)和熔化极氩弧焊(GMAW)焊接过程开展的数值模拟工作已经取得了很大的进步[1],但是在等离子弧焊接(PAW)过程中,由于经过压缩后的等离子电弧的特殊性,以及等离子弧焊接熔池独有的特点,尤其是在存在小孔的情况下,使得针对该焊接方法的数值模拟工作产生了很大的困难。
很多研究者在这方面开展了大量的工作,并且也取得了不小的进步。
美国加州大学伯克利分校的Hsu Y F[2]很早就对小孔等离子弧焊接传热与流体流动现象进行数值计算研究工作,作者针对匀速小孔等离子弧平板焊建立了二维准稳态有限元数值模型,没有考虑熔池中高温液态金属蒸发的影响,并且小孔形状预先假定,小孔半径给定为2mm,模型建立在与焊枪垂直的二维平面内,采用Newton2raphson迭代方法求解了小孔等离子弧焊接过程的流场和温度场。
1993年Keanini R G[3]对等离子弧焊接过程建立了三维准稳态有限元模型,计算了小孔等离子焊接熔池中的温度场和流场。
等离子弧焊接熔池流场和温度场三维数值模拟
（３）合理的疏密分布：在流场参数变化率较大的区域（如焊接熔池区、液固两相区等）及几何形状变化剧烈的区域采用较密的网格：（４）正交性：物面上尽可能地保证网格线的正交性，保证边界上的计算精度；（５）单值性：物理域与计算域上点一一对应，不能有网格线相交和重叠。
由于工件上存在较大的温度梯度，尤其是靠近电弧附近，温度梯度最大，离热源越远，温度梯度越小，因此把热源附近的网格分的细一些，而在远离熟源处则采用较粗的网格，这样就可以在不增加单元和节点数量静条件下提高计算精度。
有限元方法的优点之一是能很好地适应物理域复杂的几何形状，可以生成非均匀网格。
图３·１三维模型及非均匀阐格系统示意｛耋｛ＡＮＳＹＳ中网格类型有自由网格和映射网格两种。
自由网格对于实体模型无特殊要求。
对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有特定的规则。
所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或由两者混合组成：自由体网格一般限图４—１（ｂ）为焊接时问为０．２ｓ时温度情况，可以看出，在焊接热源作用下，电弧下方中心处工件温度迅速升高，工件开始熔化，并出现少量液相。
图４．１（ｃ）．（ｇ）即０．２ｓ，１．２ｓ时间段，随着焊接过程的进行，热输入量增加，焊接熔池温度不断升高。
液态金属量逐渐增多，熔池沿着径向和轴向两个方向扩展。
其中径向方向的扩展更为明显。
这主要是因为焊接初期，热传导起主要作用，形成的熔池体积较小，流体流动速度较低，等离子流力和电磁力纵向的挖掘作用较弱，因此熔池主要沿着径向方向扩展，轴向也伴随有一定程度的扩张。
焊接熔池形状近似成半椭圆形，并以椭圆形为基础逐渐长大。
图４一ｌ（ｈ）一（ｎ）即１．４ｓ．２．４ｓ时问段，随着焊接时间的延长，热输入量继续增加，焊接熔池液态金属量增多，液态金属的运动也逐渐加剧，此时熔池主要沿轴向方向扩展，熔深增加，直至熔透，径向方向上熔池尺寸也有一定程度的增加。
GTAW电弧温度场与流场数值模拟
GTAW电弧温度场与流场数值模拟樊丁;杜华云;张瑞华【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2004(034)008【摘要】基于自由燃烧的钨极氩弧焊电弧建立了二维稳态的轴对称模型,研究了电弧的传热和流体流动,计算了电弧温度场和速度场的分布.方程的求解采用以SAMPLE算法为基础编写的通用热流计算软件-PHOENICS(Parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series).计算的条件为电弧电流200A,弧和mm,氩气作保护气体.计算得到的电弧温度、流体速度和电势分布与文献报导的测量结果吻合良好.【总页数】4页(P6-9)【作者】樊丁;杜华云;张瑞华【作者单位】兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050;太原理工大学,材料科学与工程学院,山西,太原,030024;兰州理工大学,甘肃省有色金属新材料国家重点实验室,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG402【相关文献】1.直流GTAW电弧条件下钎料润湿铺展温度场的数值模拟及分析 [J], 李瑞峰;于治水;余春2.直流GTAW电弧钎焊温度场的数值模拟及分析 [J], 李瑞峰;于治水;余春3.外加变位磁场作用GTAW焊接电弧的数值模拟 [J], 周祥曼;刘练;陈永清;袁有录;田启华;杜义贤;何青松;付君健4.Q235与304L异种钢角焊缝GTAW电弧能量分配规律研究 [J], 赵金涛;岳建锋;谢昶;刘文吉;刘海华5.无熔滴电弧热丝GTAW自润滑耐磨堆焊层组织及性能 [J], 田春英;王军;庄明辉;李慕勤;杨小兵因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《2024年基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》范文
《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着制造业和机械工程的不断发展，焊接作为连接各种金属材料的主要方法之一，其过程和结果的研究显得尤为重要。
焊接过程中，由于局部高温和材料相变，会产生复杂的温度场和应力分布。
这些因素对焊接接头的质量、强度和耐久性有着重要影响。
因此，对焊接温度场和应力的数值模拟研究具有重要的理论和实践意义。
本文将基于ANSYS软件，对焊接过程中的温度场和应力进行数值模拟研究。
二、焊接温度场的数值模拟研究1. 模型建立在ANSYS中，我们首先需要建立焊接过程的物理模型。
根据实际焊接条件和材料属性，设定合理的几何尺寸和材料参数。
同时，考虑到焊接过程中的热源分布、热传导和热对流等因素，我们采用适当的热源模型和边界条件。
2. 网格划分与求解在模型建立完成后，我们需要对模型进行网格划分。
网格的精细程度将直接影响模拟结果的准确性。
接着，我们设定求解器，根据热传导方程和边界条件进行求解。
通过求解，我们可以得到焊接过程中的温度场分布。
三、焊接应力的数值模拟研究1. 热弹性-塑性本构关系焊接过程中，由于温度的变化，材料将发生热膨胀和收缩。
这种热膨胀和收缩将导致应力的产生。
在ANSYS中，我们需要设定合理的热弹性-塑性本构关系，以描述材料的热膨胀和收缩行为。
2. 应力求解与分析根据热弹性-塑性本构关系和温度场分布，我们可以求解出焊接过程中的应力分布。
通过对应力结果进行分析，我们可以了解焊接接头的应力分布情况，从而评估焊接接头的质量和强度。
四、结果与讨论1. 温度场分布通过ANSYS模拟，我们可以得到焊接过程中的温度场分布。
温度场分布将直接影响焊接接头的质量和性能。
我们可以观察到，在焊接过程中，局部高温将导致材料发生相变和热膨胀。
同时，热对流和热传导将影响温度场的分布。
2. 应力分布在得到温度场分布的基础上，我们可以进一步求解出焊接过程中的应力分布。
应力分布将直接影响焊接接头的强度和耐久性。
低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟
低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟在工业生产中，低压直流电弧焊接已成为常用的一种焊接方式。
在焊接过程中，温度场和应力场是非常重要的参数。
通过数值模拟可以对这些参数进行预测和优化，在提高焊接质量和效率方面有着重要的作用。
首先，我们来了解一下低压直流电弧焊接的基本原理。
低压直流电弧焊接是在电流作用下将物体熔化并焊接在一起的一种方式。
电弧产生时，焊接区域温度迅速升高，形成一个高温区。
高温区内的金属熔化并与周围的金属融合，从而实现焊接目的。
在这个过程中，温度场和应力场是密切关联的。
温度场的变化会导致物体中的应力分布发生改变。
应力场的分布又会影响温度场的分布。
因此，在进行低压直流电弧焊接时，需要综合考虑温度场和应力场的影响。
数值模拟是对焊接过程中温度场和应力场进行预测和优化的常用方法。
数值模拟可以通过计算物体内部的温度和应力分布，提前判断焊接过程中可能出现的问题，并优化焊接参数，以达到最优的焊接效果。
一般来说，数值模拟有两种方法：有限元法和边界积分法。
有限元法通过将较复杂的物体划分为许多小的单元，对每个单元内部的温度和应力进行计算，再将单元之间的影响整合起来，得到整体的温度场和应力场分布。
边界积分法则先对物体表面和焊接区域的边界进行计算，再通过整合边界处的影响，计算出整体的温度场和应力场分布。
数值模拟的结果可以用来优化焊接参数，例如选择合适的焊接电流、焊接速度和焊接角度等，以减小应力集中和裂纹产生的风险。
对于焊接过程中可能出现的变形问题，也可以通过数值模拟来预测和优化。
这些预测和优化操作可以帮助人们在焊接过程中取得更好的效果。
综上所述，低压直流电弧焊接中温度场和应力场是焊接质量和效率的重要参数。
通过数值模拟，可以提前预测和优化这些参数，从而提高焊接质量和效率。
各种数值模拟方法都有其优点和适用范围。
在具体的生产中，需要综合考虑工艺条件和需求，选取合适的数值模拟方法和参数，以达到最佳效果。
GTAW电弧电势、电流密度和电磁力的数值模拟
ｂ ｅ ｉ ｌｔ ｄ ｈ ｏ ｇ ｈ ｔｅ ｒ ｆ ｅ ｅ ｔ ｅ ｎ ｓｍｕ ａ ｅ ｔ ｒｕ ｈ ｔ ｅ ｈ ｏｙ ｏ １ ｍｍａ ｎ ｔ ｍ． ｈ ｏ ｔ ｌ ｅ ｕ ｔ ｎ ｓ ｓ ｌｅ ｓｎ ｇ ｎ ｒ ｌ ｔ ｅ ｍｏ ｕ ｄ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｇ ｅｉ Ｔ ｅ ｃ ｎ ｒ ｑ ａ ｉ ｓ ｗａ ｏｖ ｄ ｕ ｉ ｇ ａ ｅ ｅ ａ ｈ ｒ ｆ ｉ — ｃ ａ ｉｓ ｓ ｏ ｏ ｌ
杜 华 云 ， 樊 丁 ， 文 先 ， 王 卫英 慧 ， 并 社 ， 许
（． １太原理 工大学 材料科 学与 工程 学院 ， 山西 太原 ０ ０ ２ ；． 州理 工大 学 甘 肃省 有 ３ ０ ４ ２兰
色金 属新 材 料 国 家 重 点 实验 室 ， 肃 兰 州 ７ ０ ５ １ 甘 ３ ０ ０
结果与 文献 结果相 一 致 ， 验证 了 电弧理 论 的基本 观 点 。
Ｐ Ｅ ＩＳ 计 算 ＨＯ ＮＣ 。
关 键词 ： Ｔ Ｗ 电弧； ＧＡ 数值模拟 ； 电弧电势 电流密度 ； 电磁力
中圈分 类 号 ：Ｇ ０ Ｔ ４３
文 献标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：Ｏ １２０（ ０） －０００ ｌ０－３３ ０６ ９０５－４ ２ ０
ｓ ｆ ａ ｅ， ＨＯＥ Ｃ ｗ ｉｈ ｓ ｂ ｓ ｄ ｏ ｔ ｅ Ｓ ｏｔ ｒ Ｐ ｗ ＮＩ Ｓ， ｈ ｃ ｉ ａ ｅ ｎ ｈ ＡＭＰ Ｅ ｌ ｏ ｔ ｍ． ｈ ｓ ｌｔ ｄ ｅ ｕ ｔ ｏ ｈ ｓ ｗｏ ｋ ｒ ｉ ｇ ｏ ａ ｒ ｅ ｎ ｗ ｔ Ｌ ａｇ ｒ ｈ Ｔ ｅ ｉ ａｅ ｒｓ ｌ ｆ ｔ ｉ ｉ ｍｕ ｓ ｒ ａ ｅ ｎ ｏ ｄ ｇ ｅ ｍｅ ｔ ｉ ｈ ｃａ ｓｃ ｌ ｈ ｏ ｎ ａｃ ｌ ｔｄ ｒｓ ｌ ｙ ｏｈ ｒ ． ｌ ｓ ｉａ ｅ ｒ ａ ｄ ｃ ｌ ｕ ａｅ ｅ ｕ ｔ ｂ ｔ ｅ ｓ ｔ ｙ ｓ
一种新型的GMAW三维温度场解析模型
存在较大的误差，分析为由于正面焊接过程中的添 加的熔滴金属热传导作用过大所致。
（３）以上该温度场模型建立在固体热传导的基 础上，没有考虑熔池对流与辐射的影响，这也是存在 误差的一个方面。
参考文献：
［１］李亮玉，陈树君．殷树言．基于焊接温度场正面信息的熔透 控制——Ｉ．三维温度场熔透解析模型及验证［Ｊ］．机械工程 学报，２０００，３６（９）：４１—４４．
…ｌ，Ｊ
唧Ｌ＿——————百百ｊ万————一Ｊ ｒ（石＋优一ｖｔｌ）２＋（口一，孔８）２＋（ｚ一２ｒｔＤ一珏）２ １
式中：秽表示焊接速度。在宽度和厚度方向上利用
映像法［１０｜，则（４）式变为
万菰ｉ雨－ｘ万丽萧× 觚㈠”，＝薹薹肛毗＝ｌ警× ｍ＝一∞ｎ＝一∞’Ｖ
■ｕ ｆ肼～７ｒ
ｌ
１
ｅｘｐｌ２ａ
万示君丽ｂＡｘ【．西瓦稿一 １
式中：死表示试件的初始温度；Ｐ，Ｃ，口分别表示密
度、比热容和热扩散率。
利用累积原理将电弧热源能量分布不同点对所
求点温升贡献进行叠加，然后考虑无数瞬时电弧热
源在不同瞬间的作用，则工件上某点Ｐ（菇，Ｙ，：）在ｔ
×而示ｔ杀ｔ 时刻动坐标系中温升变为
觚（”㈡＝，＇ｉ３４５ｑ万ｄｔＪｌ０觚√７ｒ √１２口（一，）＋Ｌａ ‘×
面和计算熔深处。焊透时，点热源分布于焊接工件
的上下表面。对于以上两种情况，上表面点热源ｑ。
占总熔滴热焓ｈ。的２，３，下表面点热源ｑ２占ｌ，３。
因此当焊接工件只考虑熔滴热焓的影响，则由此引
起焊接工件某点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）温升疋（ｘ，ｙ，ｚ）为
ｅｘｐ一Ｌ’—一——垫—型１等虱ｉ等ｉ厂手—幽—竺一］Ｊ（３Ｌｊ），
总的来说人们对ＧＭＡ焊三维解析温度场模型 的研究成果不是十分理想，这与ＧＭＡ焊接过程中存 在着复杂的物理过程有关，不仅焊接电流比较大而 且伴随着熔滴过渡，而熔滴对焊接熔透具有冲击和
外加纵向磁场GTAW平板堆焊温度场数值模拟与验证
外加纵向磁场GTAW平板堆焊温度场数值模拟与验证
罗键;赵国际;王向杰;覃玲萍
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2010()3
【摘要】利用ANSYS对外加纵向磁场作用下GTAW平板堆焊过程温度场进行了数值模拟,并进行了实验验证。
结果表明,所采用的简单磁控焊接电弧热源模型在外加磁场作用下形成"钟罩形"电弧,模拟焊接温度场与实验结果基本吻合。
【总页数】3页(P133-135)
【关键词】纵向磁场;堆焊;温度场;模拟
【作者】罗键;赵国际;王向杰;覃玲萍
【作者单位】重庆大学机械传动国家重点实验室;重庆大学材料科学与工程学院【正文语种】中文
【中图分类】TG455
【相关文献】
1.外加纵向磁场作用TIG焊温度场的数值模拟 [J], 代巍;江淑园;张学武
2.外加纵向磁场GTAW焊缝成形机理 [J], 罗键;贾昌申;王雅生;薛锦
3.GTAW外加间歇交变纵向磁场的数值计算及其对焊接行为的影响 [J], 罗键;贾涛;殷咸青;薛锦;贾昌申
4.外加纵向磁场对GTAW焊接不锈钢接头宏观形貌及组织的影响 [J], 江淑园;张学武;陈焕明
5.外加纵向磁场GTAW焊接机理——Ⅱ.电弧模型 [J], 罗键;贾昌申;王雅生;薛锦;吴毅雄
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基于FLUENT的TIG焊接电弧数值模拟
基于FLUENT的TIG焊接电弧数值模拟杨晓锋;周灿丰【摘要】以TIG焊接电弧为研究对象,基于流体动力学与电磁学理论建立了二维有限元数学模型,合理假设了钨极的形状,使用GAMBIE进行了建模与网格划分,利用FLUENT软件对其进行了有限元数值模拟,得出了TIG焊接电弧温度场、等离子体速度场以及电势分布规律.模拟结果表明,TIG焊接电孤的最高温度可达22 000 K 左右,温度从阴极向阳极逐渐发散,在阴极区,电势线分布密集,电势差较大.电弧等离子体在电势差的驱动下逐渐达到最高运动速度,当运动到阳极时,对阳极造成冲击,速度逐渐减小.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P40-42)【关键词】TIG焊接;数值模拟;电弧【作者】杨晓锋;周灿丰【作者单位】北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京石油化工学院机械工程学院,北京102617【正文语种】中文【中图分类】TG444惰性气体保护焊（tungsten inert gas，简称TIG）因其较高的焊接质量和稳定的电弧长度被广泛应用于焊接行业。
焊接电弧物理特性可直接影响熔池表面的热流分布，进而影响到电弧与熔池之间的热传递，对焊缝的成形和质量具有决定性的作用。
在实际焊接过程中，电弧具有很高的温度以及强烈的弧光，电弧物理特性很难通过试验方法一一确定。
采用模拟软件进行数值模拟对于焊接现象进行研究是一种行之有效的方法，同时可以大幅度节约人力、物力和时间，降低工业成本。
本文选用FLUENT软件，采用数值模拟的方法为TIG焊接电弧特性进行研究，为焊接过程控制和改进提供了理论依据［1－2］。
1 数学模型焊接过程中产生的等离子体属于低温等离子体，其温度在2 000～25 000K，在研究TIG焊接等离子体的过程中，一般不考虑等离子体的波动现象［3］。
通常把其看成是由导电粒子所组成的流体，在仿真研究的过程中，作为磁流体来处理。
基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型
第39卷第2期焊 接 学报 V〇1.39(2):075 - 079 2018年2月T R A N S A C T IO N S O F T H E C H IN A W E L D IN G IN S T IT U T IO N Feb r u a r y2018基于FLUENT软件的GMAW焊熔池动态行为数值分析模型张世亮％,胥国祥2，曹庆南2，潘海潮2，李鹏飞2(1.济南工程职业技术学院机电工程系，济南250200#2.江苏科技大学江苏省先进焊接技术重点实验室，镇江212003)摘要：基于F L U E N T软件，建立了适用的懷化极气体保护焊（gas metal arc w elding，G M A W)懷池动态行为数值分析模型，该模型考虑了气一液一固三相耦合.将电弧热输人视为双椭球体热源模型，将电弧等离子体描述为高速流向熔池的氩气，其流速呈高斯分布，流速峰值依据焊接电流确定，电弧压力与电弧等离子体对熔池表面的切应力在计算过程中获得;将熔滴过渡视为高温液态金属从熔池上部一定区域以一定速度流人熔池过程，通过对流速施加时间脉冲函数表征熔滴过渡频率.利用该模型对不同条件下G M A W焊熔池热场及流场进行模拟计算，并分析其流体动力学特征.结果表明，模型能够合理地反映熔池动力学特征，同时还提高了计算效率.关键词：F L U E N T软件；6M A W焊；三相耦合；流体流动；数值分析模型中图分类号：T6 456.2 文献标识码：A d o i： 10.12073/j. hjxb. 20183900450序 言焊接过程中，熔池内流体流动对焊缝成形具有 重要影响%1]，故采用数值模拟技术对熔池流体动力 学特征进行研究，有助于全面理解焊缝成形物理机 制.对于6MAW焊，熔池动态行为所受影响主要来 自熔滴和电弧%2-4].因此，对GMAW焊熔池进行模 拟计算，必须全面、合理考虑两者作用.目前研究者已对GMAW焊熔池热场和流场进 行了大量数值模拟方面的研究，并已取得了较大进 展%2-7].对于熔滴的影响，目前主要采用两种方式 进行处理，第一种方式为通过分别建立熔滴热焓的 热源模型及熔滴冲击力的力源模型考虑其对熔池的 热、力作用#然后利用调节熔池表面变形方程积分体 积的变化间接考虑熔池液态金属体积的增加%2-3].该类模型计算相对简单，但与实际焊接物理过程不 同，无法真实描述熔滴与熔池的耦合行为.第二种 方式为建立高温液态金属的质量源%5-7]，但该方法 使得计算的收敛性显著恶化.而对于电弧对熔池的 热、力影响，目前其热源模型和电磁力源模型相对成 熟，但电弧等离子体对熔池力的作用则多采用电弧 压力模型%3,5,8]，而忽略了电弧等离子体对熔池自由收稿日期：2016 -06 -16基金项目：国家自然科学基金面上项目（51575252)#江苏省青蓝工 程资助项目#江苏省博士后基金项目（1601050A)表面的切应力作用.除上述模型，T s i等人%6-7&建立 了GMAW焊电弧一熔滴一熔池三者耦合的统一数值 分析模型，但该模型仅为二维，且计算成本极为高昂.基于上述分析，综合考虑熔滴及电弧对熔池动 态行为的影响，基于FLUENT软件建立适用、高效的 GMAW焊熔池气一液一固三相耦合三维统一数值 分析模型，为深入分析GMAW焊成形特征及参数优 化提供可靠、实用的技术支持.1数学模型!1电弧热源模型电弧热输入采用双椭球热源表征，其热流密度函S(/，0，'":12槡槡r,IU(a{+ar)G h c h"槡"j3/230 3 z2\exp|---272「|，尤&0\a{G D /(1)S(^，0，'":12槡槡*U(7{ +ar)Gc h"槡"/3/2303z2\exp|了丨，x<0\7K D h)(2)式中为热效率;/为焊接电流；U为电弧电压;S，S分别为热源前、后部分的热流密度分布函数;7, 7r，G，D h 分别为双椭球体热源的分布参数.76焊接学报第39卷图2熔池流体流动计算结果（％ = 〇" s ，/ = 180 A ，' = 23 V)Fig. 2 Calculated fluid flow in weld pool1.2熔滴过渡模型了简化计算，将金属态金属从熔定圆形区域以一定的速度流入熔池，该区域面积与焊丝横断面相同，在f l u e n t 软件中处理 为速度入口（ Velocity -inlet ).1出了计算区域，其中熔滴液态金属流入区域半径;通过态金属流速施加脉冲函数，熔滴的过.假定液态金属流速为常量，可依据 ％ 1 ]计算.而熔融金属的度可 2 400 K ，熔滴过 则依据文献%9]计算获得.@1计算区域几何模型（mm)Fig. 1Geometrical model of calculation domain1"电弧模型由于电值本身非常，故简化计算，将电等离子熔高速垂直流向熔池的氩气，不考虑其热场、 长变化，氩气度假定为环境温度;文中别采用热源电力源 表征电焊件的热作用及电磁力作用， 焊接热.此外，于氩气要成分的保护气体，电较接近柱状%3]，故电弧形态的简化较 ，对其力学较小.如图1所，〇%B 氩气速度入口.电磁力计算模型见文献% 1].氩气等离子体峰值流速为%9](g =V (3)式中为计算系数.由于电弧等离子体流速与电流密度密切相关， 故假定氩气流速与电流密度征相同，成高斯，其速度分布函数如下，即WN，） （4)式中:T 为氩气流速 ；T 为氩气速度入口区域(0，B ) 点到电弧中心的距离.计算过程中，采用V 0F 法熔池气液界面;电弧等离子熔池自由液面的作用力由计算过程得.此外，为了避免高速氩气对熔滴冲 的熔 离散，在熔滴速度入口区域〇%A 同样采用脉冲函数进 ，使得液态金属及氩气交替入计算区域.2结果与分析采用G M AW 焊对6 m m 厚Q 235钢板进行堆焊试验，焊接电 别为1&0 260 A ，电电压分别23 27 V ，焊接速度为1.2 m /m in ;取一半焊件为计算区域，其尺寸为50 mm X 20 mm X 9 mm ，其中3 mm 处气， 如 1 所 .用上述所建，通过f l u e n t 软件对GM AW 焊熔池瞬态温度 进 计算.计算过程中所用物性 见 ％ 1 ]， 步长为（2〜5" X 10-4S.图2给出了气一液一固三相耦的计算.相较于电弧等离子速，熔速较小；电等离子体冲击熔池自由液面后，迅速沿熔池自由液面向周边快速 ，从其 应力（或 力），可见 够 映 电熔滴对熔态 ，符实际焊接物理过程.为了 展示熔征，下文计算中省略了电弧等离子.6 4 0mm /z #^^^z第#期张世亮，等：基于FLUENT 软件的GMAW 焊熔池动态行为数值分析模型771 500 J 61 300 i |1 100 g 4900^ 20 5 10 15 20x 方向坐标x/m m (g )纵截面,t=0.6 s图3不同时刻GMAW 焊熔池温度场及流场分布（/ = 180 A # ' = 23 A)Fig. 3 Temperature and velocity fields in GMAW at different time〇5 10 15 20x 方向坐标x/m m (c )纵截面,t=0.56 s图3给出了焊接电流为180 A 时不同时刻 GMAW 焊热的，其中横截面位于热源中心处.可以看出，由于焊接电流相对较小，熔滴过 式为大滴状过渡;同由于焊接速度较快，则焊缝余高也较小.当6=0. 55 s 时，熔滴刚形成，但尚 未；受电压力 ，熔前部电弧作用区域存定下塌，下塌处表层金属流速 高于熔池内.熔池表面变形后壁附近金属快速流向熔池后部，并在熔池中部形成逆时针环流.当6=0. 56 s，熔滴继续向熔进，但刻熔池表面下塌减，同其表层金属流速显著 ，最大值仅 〖0.7 m /s (图3c ，3d ); 由于熔滴抵达熔池前，对电弧等离子体存在阻挡作用，此刻熔滴下部熔池区 域电弧作用力 ，故 静压力和表面张力作用，熔后态金属向前，熔下塌处表面 ，现与 [6]相，进一步表明了的性.而随着的推移，当熔滴刚进入熔，熔滴冲击力影响，熔池表面变形再次增大，变形下1 773s181 50061 300鉴41 10090027001 773 8 _s m/z#^*l l :^z3 0 0 07 0 0 0 07 5 3 10078焊接学报第39卷(f)横截面，t=0.542s0 5 1015 20x 方向坐标x/m m(e )纵截面,t=0.542 s (a )纵截面,t=0.41 s205 1015x 方向坐标x/m m(g )纵截面，t=0.55 s0 2 4 6 8 10y 方向坐标y/m m(b)横截面，t=0.41s图4不同时刻GMAW 焊温度场及流场分布（/ = 260 A ，' = 27 V)Fig. 4 Temperature and velocity fields in GMAW at different time金属向其周围流动，而变形大小与熔滴速度和尺 相关；由3>可以看出，受熔滴排挤向后金属与金属相遇，转向熔，在变形后部附近形成液态金属凸起.此后，电弧压力和电弧等离子 应力再次作用于熔 态表面， 熔 态行征与t 0.55s 时相似，如图3g ，3h 所示.由图 3可，焊接过程中，受熔滴过电弧作用力，熔池形态固定不变，熔表面下塌 态成周期性变化，更加符合实际焊接过程[6].4 出了焊接电流为260 A 时不同GMAW 焊热的计算.可以看出随着焊接电流的增大，熔滴过 增加，熔滴变小;同时，电压力及熔滴冲击力提高，熔表面变形增大;由于熔滴 较小，其进入熔池后，直熔池变形，仅熔池变形形态（图4i ,4d )，故条件下 状特征焊缝出现.受电弧等离子应力影响，熔池表面变形后壁上部附S m /Z #^*I E^ZU m l/Z #^*IE ^Z1500::900u/z鉴刭叵4^z008853 111 11第2期张世亮，等：基于FLUENT 软件的G M AW 焊熔池动态行为数值分析模型79近金属仍然沿熔池表层向后部流动，这与仅考虑电 弧压力时的计算结果不同%2];同样在熔池中部形成逆时针涡流，熔池基本流态与电流为180 A 时相似. 而对于熔池表面变形下方液态金属，其在电弧压力 及熔滴冲击力作用下，由熔池底部流向熔池后方，在 稍远处与回流液态金属相遇后，流向熔池上部，并入 涡流.由图4可知，由于熔滴过渡频率较大，熔滴冲 击力及电弧等离子体作用力相对稳定，不同时刻表 面变形的变化明显较电流为180 A 时小，仅下部表 面变形存在一定振荡，熔池形态相对稳定.3结论(1)综合考虑电弧、熔滴对熔池的热、力作用，基于FLUENT 软件，建立了适用的GM AW 焊流体流 动三维数值分析模型;对不同焊接条件下GM AW 焊 熔池流体流动进行了模拟计算，并对其特征进行了 分析.模型能够合理、准确地描述电弧和熔滴对 GMAW 焊熔池动态行为的主要影响，其计算结果更 为符合实际焊接过程，同时，模型适用范围更广，计 算效率较高，从而为GM AW 焊内部机理研究提供了可靠、实用的技术支持.(2) 当焊接电流为180 A 时，熔滴成大滴状过 渡，过渡频率较小，熔池表面变形呈周期性变化，且 表面下塌后部液态金属高速流向熔池后部，在熔池 中部形成逆时针涡流;而当焊接电流为260 A 时，熔 滴过渡频率较大，形成指状焊缝，熔池形态相对稳定.参考文献：[1]武传松.焊接热过程与熔池形态％ M].北京：机械工业出版社，2008.[2]孙俊生，武传松.电弧热流分布模式对GMAW 焊接温度场的影响[J ].焊接学报，1998, 19(4)) 255 -260.Sun Junsheng, Wu Chuansong. Modeling the w el(R pool behaviors in GMA wel(Ring [ J ]. Transactions of the China Wel(ding Institia- tion ，1998, 19(4) ： 255 -260.[3]陈姬，武传松，P ie r A ，等.F occA rc 双面焊熔池流场与温度场的数值模拟[J ].焊接学报，2015, 36(7): 9 -12.Chen J i，Wu Chuansong，Pitter A ，e t al . Numerical simulation offluid flow and temperature fields for double-sided ForccArc welding[J ]. Transactions of the C hinaW eldinglnstitution ，2015， 36 (7) ： 9-12.[4] Kumar A ，Tebroy T. Toward a unified model to prevent humping defects in gas tungsten arc welding[ J ]. Welding Journal ， 2006 (12) ： 292-304.[5]Cho J H ， Na S J. Three-dimensional analysis of molten pool in GMA-laser hybrid welding[J]. Welding Journal ，2009，88(4): 35 -43.[6 ] Hu J ，Tsai H L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Part I: The arc [J ] • International Journal of Heat and Mass Transfer ， 2007, 50(5) ： 833 -846.[7 ]Hu J ，Tsai H L. Heat and mass transfer in gas metal arc welding. Part $ : Themetal [J ].InternationalJTransfer ，2007, 50(6) ： 808 -820.[8]胥国祥，张卫卫，马学周，等.激光V GMAW 复合热源焊流体流动数值分析模型[J ] •焊接学报，2015, 36(7)： 51 -54.Xu Guoxiang，Zhang Weiwei，Ma Xuezhou，et al. Numerical analysis model for fluid flow in laser V GMAW hybrid welding [ J ]. Transactions of the China Welding Institution ，2015，36 (7 )： 51 -54.[9 ] Kim C H ，Zhang W ，Debroy T. Modeling of temperature field andsolidified surface profile during gas metal arc fillet welding [ J ]. Journal of Applied Physics ，2003，94(4) ： 2667 -2679.作者简介：张世亮，男，1981年出生，硕士，讲师.主要从事焊接工艺及焊接过程的数值模拟方面的研究.发表论文6篇.E m a il ：mains@ 163. com： 胥国祥，男，博士，副教授.Email ： xugxiang@$MAIN TOPICS,ABSTRACTS & KEY WORDS 2018,V 〇1.39,N o.2Weld bead formation in narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding process LIU Liming, HUChenghui，FANG Dislieng ( Liaoning Provincial Key Laboratory of Advanced Welding Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024, China) . pp 66 -7〇Abstract : The narrow-gap triple-wire gas indirect arc welding process was originally proposed，its princip)le was introduced ，and the effects of welding parameters on weld bead formation were investigated. In order to eliminate the convex formation of the w eld appearance ， a tungsten arc was placed behind the triple-wire indirect arc. Results showthat the triple-wire indirect arc can realize good sidewall fusion in narrow-gap welding ， and the sidewall penetration increases with the increase of the welding current，decreases of the welding speed and the groove gap. Without the tungsten arc，the convex weld appearance appears ，and with the tungsten arc，the concave surface forms in welding process. During narrow-gap welding，the concave weld bead surfacc benefits the base metal fusion at the weld root andlayers fusion.Key words ： triple-wire; indirect arc; narrow-gap weldingMechanical properties of friction stir lap welded 2024-T4 aluminum alloy joints for pin not plunging into lower sheet YE Jiehe1，LIU Xuesong2，WANG Suhuan1 ( 1. CSR Qingdao Sifang C o.，L td.，Qingdao 266111，China ； 2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining ， Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China) . pp 71 -74Abstract ： Hook defect is the key factor on the mechanical properties of friction stir lap welded ( FSLW) joints. In order to avoid the hook d efect as much as possible，the tool pin did not plunge into lower sheet during the FSLW process of 2024-T4 aluminum d o y. The cross sections and mechanical properties of FSLW joints at different rotational speeds were studied. The experimental results show t hat when the pin does not plunge into lower sheet，the lap interface is continuous and presents the horizontal distrilDution. The width of stir zone bottom is greater than the diameter of pin tip due to the small pin length，which leads to the increase of effective lap width ( ELW ). Tensile fracture model is obtained during tensile test. Compared with the rotational speed of 500 r/m in，the ELW and lap shear failure load at 600 r/min are both slightly increased. In this study ， the maximum lap shear failure load is about 143 MPa.Key words ： friction stir lap welding ； 2024-T4 aluminum alloy; hook; lap shear failure loadA numerical analysis model of weld pool dynamic behavior in GMAW based on FLUENT software ZHANG Shil-iang1，XUGuoxiang2，CAOQingnan2，PAN Haichao2，LI Peng- fei2 ( 1. Mechanical and Electrical Engineering Department ，Jinan Engineering Vocational Technical College ， Jinan 250200, China ； 2. Key Laboratory of Advanced Welding Technology of Jiangsu Province ， Jiang University of Science and Technology ， Zhenjiang 212003，China) . pp 75 -79Abstract ： Based on FLUENT soft^vare ， an adaptive numerical analysis model of weld pool dynamic behavior in gas metal arc welding ( GMAW) was developed which considered the three phase coupling of gas-liquid-solid phases. The arc heat input was regarded as a double ellijDsoid body heat source，and arc plasma was treated as a rgon gas flowing toward the weld pool in high velocity. The flow velocity of argon gas was assumed to be a Gaussian distribution mode，and its peak value was determined by welding current. The pressure and shear stress exerting onweld pool free surface due to arc plasma wereculation. The droplet transfer was assumed as the process of high-temperature metal licquid flowing into weld pool from the certain region above it and the time pulse function flow velocity of liquid metal lor considering the droplet transfer frequency. Using this model ，the temperature and velocity fields in GMAW were computed under different welding conditions and fluid dynamic feature of weld pool was analyzed. The results show that the established model can reflect the dynamic feature of weld pool more reasonably and the calculation efficiency is also enhanced.Key words ： FLUENT software; GMAW ； three phase coupling; fluid flow; numerical analysis modelHigh temperature oxidation and thermal shock properties of thermal barrier coating by CoCrAlY surface modification HAN Zhiyong ，HAN Jian ，QIU Zhenzhen (Tianjin Key Laboratory for Civil Aircraft Airworthiines and Maintenance ，Civil Aviation University of China ，Tianjin 300300，China) . pp 80 - 83Abstract ： CoCrAlY coating was prepared by air plasma spray ( APS) on the surface of Ni-based superalloy ，nano-scale A1 film was deposited on the surface of CoCrAlY by electron beam evaporation and modified by high current pulsed electron beam and the deposition of ceramic coating on CoCrAlY surface by APS. The high temperature oxidation test and thermal shock test of the thermal barrier coating in air atmosphere were carried out. The results show that the thermally grown oxide ( TGO) generated at the interface in the thermal barrier coating of modified CoCrAlY has high continuity and compactness ater high temperature oxidation at 1 050 i in static air ，which can effectively hinder the further development of oxidation and avoid the formation of corner oxide ， and then the resistance properties of the thermal barrier coating are improved. The thermal shock tests were conducted by heat to 1 050 i and water quenching at 10 i ，the rate of abscission of thermal barrier coating is only about 2g .Key words ： CoCrAlY coating; high current plused electron beam; high temperature oxidation; phase composition; sur- fac=topographyE fect of heat input on weld morphology and tensile properties of bobbin friction stir welded joints HAO Yunfei1，WEI Ruigang1，ZHOU Qing1，HU Xiao1，WANG Guoqing2 (1. Capital AerosjDace Machinery Company ，Beijing 100076，China; 2. China Academy of Launch Vehicle Technology ， Beijing 100076，China) . pp 84-88Abstract ： The effect of welding heat input on the profile of th ie nugget and tensile properties of th ie bobbin friction stir welded joints was systematically investigated. The results of macro- scopical morphology of joints showed that the initial hour-glass shape parabola flattened around the pin center prior to the emergence of a nugget bulge ，as the heat input factor is graduaiy increased from 0. 6 to 4. 0. The nugget bulge is a unique physical phenomenon of the bobbin friction stir welded joints under the high heat input conditions ，which is usuaiy accompanied by internal wormhole defects. The profile of the nugget zone depends on the interaction of the plastic metal flow field moving radially outwardly along the center in the bobbin friction stir welded joints and the thermo-mechanical afected zone. The results of th ie tensile testing showed that th ie tensile properties of th ie joints present a decreasing trend with the gradual increase of the welding heat inputKactor.。