（材料加工工程专业论文）ktig焊接电弧特性的数值分析.pdf

l | l l l l l l l l 1 1 1 1 1 1 1 1 i i 1 1 1 1 l 洲1 1 1 l i i y 1 8 8 5 8 4 1 n u m e r i c a la n a l y s i so nk e y h o l eg a st u n g s t e na r cw e l d i n g b y l ih a i x i a b e ( h e b e iu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t er e s e a r c h e rz h a n gr u i h u a a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：来薄霞 日期：矽j 7 年月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 日期：矽f 年 日期小f 年 占月0 日 月1 0 日 嫠宁 蛾许 粜够 名名签签 者师 怍导 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究意义1 1 2 国内外k t i g 焊研究现状。l 1 2 1k t i g 焊接机理2 1 2 2 影响k t i g 焊接质量的因素3 1 2 3k t i g 焊接装置3 1 2 4k t i g 焊接的优势及应用6 1 3 本文的主要研究内容7 第2 章焊接数值模拟与f l u e n t 软件9 2 1 焊接数值模拟概述9 2 1 1 数值模拟对焊接工艺研究的意义9 2 1 2 国内外焊接电弧数值模拟的发展9 2 2f l u e n t 软件简介1 l 2 2 1f l u e n t 软件的结构1 1 2 2 2f l u e n t 计算原理1 3 2 2 3f l u e n t 软件的使用对象15 第3 章k t i g 焊接数学模型1 6 3 1 控制方程1 6 3 1 1 基本假设1 6 3 1 2 控制方程组1 6 3 1 3 源项的处理1 8 3 2 计算区域1 9 3 2 1 基本模型1 9 3 2 2 边界条件2 0 3 2 2 材料物理参数的选取2 0 3 3 模拟的实现2 l 3 3 1 求解过程2 1 3 3 2u d f 程序的编写2 2 第4 章基于f l u e n t 软件的数学模型计算2 4 k - t i g 焊接电弧特性的数值分析 4 1g a m b i t 前处理2 4 4 1 1 物理模型的建立。2 4 4 1 2 网格划分2 6 4 1 3 设置边界类型和区域类型2 8 4 2 在f l u e n t 软件中的计算过程一2 9 4 2 1 导入并检查网格一2 9 4 2 2 编写u d f 并编译3 0 4 2 1 3 选择求解器及计算模型一3 1 4 2 4 定义材料属性和边界条件3 1 4 2 5 习之解3 2 4 3 后处理3 4 4 3 1 在f l u e n t 软件中的后处理3 4 4 3 2 在t e c p l o t 软件中的后处理3 5 第5 章k t i g 焊的模拟结果分析3 7 5 1k t i g 焊接电弧特性一3 7 5 1 1 温度场分布3 7 5 1 2 电势分布3 7 5 1 3 速度场与压力场分布一3 8 5 2 焊接工艺参数对电弧特性的影响4 0 5 2 1 焊接电流对电弧特性的影响一4 0 5 2 2 保护气体流量对电弧特性的影响4 3 5 2 3 弧长对电弧特性的影响4 5 5 2 4 钨极夹角对电弧特性的影响一4 7 5 2 5 极性对电弧特性的影响4 8 5 3 焊件表面的电弧压力分布5 0 结论5 4 参考文献一5 6 致谢6 0 附录攻读学位期间发表的论文6 1 硕士学位论文 摘要 本文采用数值模拟的方法对k - t i g ( k e y h o l et i gw e l d i n g ) 焊接电弧特性进 行了研究。k t i g 焊是在传统t i g 焊的基础上，通过大电流( 3 0 0 a ) 形成的较 大电弧压力与熔池液态金属的表面张力实现相对的平衡，形成小孔而实现深熔焊 的焊接方法。k t i g 焊接法的电弧温度非常高，弧光强烈，很难通过实验的方法 研究电弧的行为特性。本文根据磁流体动力学理论和麦克斯韦方程建立了k t i g 焊接电弧的三维有限元数学模型，根据苏州华焊科技有限公司提供的k t i g 焊 枪建立物理模型，使用f l u e n t 软件模拟了k t i g 焊接的电弧特性，计算采用 湍流模型。主要模拟了k t i g 焊接时电弧的温度、电势、电弧压力及等离子体 速度场的分布。还模拟了焊接电流、保护气体流量、弧长、钨极形状以及极性等 工艺参数对电弧特性和工件表面的电弧压力分布的影响。计算结果弄清了k t i g 焊接电弧的温度场、电势场、电弧压力及等离子体速度场的分布特点。模拟结果 表明焊接电流、弧长和钨极夹角对k t i g 焊接电弧压力影响较大，直流反接时 电弧压力比直流正接时大，保护气体流量对等离子速度和电弧压力没有明显的影 响。模拟结果可为k t i g 大电流焊枪设计、焊接工艺制定提供理论指导。 关键词：k t i g 焊接；电弧；f l u e n t ：数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h i sm o d eo fk e y h o l eg a s t u n g s t e na r cw e l d i n gi s c h a r a c t e r i z e db yi t sd e p e n d e n c eo nl o r e n t zf o r c e s ，a sc o n t r a s t e dt or e c o i lp r e s s u r ei n l a s e ra n de l e c t r o nb e a mp r o c e s s e s ，a n dac o m b i n a t i o no fr e c o i la n ds t a g n a t i o n p r e s s u r ei nt h ep l a s m aa r cp r o c e s s b e c a u s eo fh i g ht e m p e r a t u r ea n ds t r o n ga r c i n t e r f e r e n c ei nt h ek t i gw e l d i n gp r o c e s s ，i ti sd i f f i c u l tt od i r e c t l yo b s e r v et h e b e h a v i o ro ft h ea r c 、析t ht h ee x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h em a g n e t i cf l u i dd y n a m i c s t h e o r ya n dt h em a x w e l le q u a t i o n ，at h r e e d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lh a sb e e n d e v e l o p e d i nt h i sp a p e r am a t h e m a t i c a lm o d e lw a sd e v e l o p e dt os t u d ys h i e l d i n gg a s w i t h i nt h ek t i gw e l d i n gt o r c ha n dw e l d i n ga r cb yu s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y t h ep h y s i c a lm o d e lw a sb u i l t ，b a s e do nk - t i gw e l d i n gt o r c hw h i c h s u z h o ua h a n dl t dp r o v i d e d c o n s i d e r i n gt u r b u l e n c e ，t h ef l o wo fs h i e l d i n gg a sa n d t h ea r cc h a r a c t e r i s t i c sw e r es i m u l a t e db yt h ef l u e n ts o f t w a r e t h et e m p e r a t u r e f i e l d ，t h ep o t e n t i a lf i e l d ，t h ea r cp r e s s u r ef i e l da n dt h ep l a s m av e l o c i t yf i e l dw e r e s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e d t h ew e l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d et h ew e l d i n g c u r r e n t ，s h i e l d i n gg a sf l o wr a t e ，a r cl e n g t h ，t u n g s t e ns h a p ea n dp o l a r i t y ，o nt h ea r c c h a r a c t e r i s t i c sa n da r cs u r f a c ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n f l o wf i e l do ft h eh i g h c u r r e n t a r cw e l d i n g ，w h i c hw e r eg o t t e na n da n a l y z e df r o mt h em o d e l t h er e s u l t sr e f l e c t e d t h ek t i gw e l d i n ga r cc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h ef a c t o r so f i n f l u e n c eo nk - t i gw e l d i n ga r cp r e s s u r ei n c l u d ew e l d i n gc u r r e n t ，a r cl e n g t ha n d t u n g s t e ne l e c t r o d ea n g l e t h er e s u l t sc a nb eu s e dt og u i d et h ek t i gt o r c hd e s i g n ， w e l d i n gp r o c e d u r e k e yw o r d s ：k - t i gw e l d i n g ；t h ea r c ；f l u e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究意义 最近，国外兴起了一种新型高效的焊接方法一k t i g 焊接法【1 1 ，即k e y h o l e t i gw e l d i n g ，它在传统t i g 焊接的基础上通过大电流( 3 0 0 a ) 形成的较大电弧 压力与熔池液态金属的表面张力实现相对平衡【2 】，形成小孔而实现深熔焊接。对 于板厚1 6 m m 以下的材料单面焊双面成型，焊接过程稳定，波纹细腻，成型美观。 焊缝的微观组织和力学性能优于t i g 焊，是真正的高速、高效、低成本的焊接 方法，是对传统t i g 焊的革新。目前，k t i g 焊接方法在国外已经开始了工业 化应用，国内除了苏州华焊科技有限公司外，还没有其他研究机构关注该焊接技 术。华焊公司对k t i g 焊枪进行了仿效性研究，但未对焊接机理深入分析。k t i g 焊接时的电弧特性决定焊接质量，但是由于高温及强烈弧光的干扰，很难通过实 验的方法研究电弧的行为特性。本文利用f l u e n t 软件对不同条件下的k t i g 电弧特性进行数值模拟计算，得到了电弧温度场分布和流体流场的分布。模拟结 果可为焊枪设计、焊接工艺制定提供理论指导，为该焊接法的推广使用提供理论 依据。 1 2 国内外k t i g 焊研究现状 发展高效、节能、环保型的焊接技术，并适应2 l 世纪新型工程材料发展趋 势的焊接工艺、设备和材料是未来我国焊接产业的发展趋势【3 】。钨极氩弧焊 ( g t a w ) 是现代工业生产中广泛采用的一种焊接方法，是高质量焊接方法的代 表。但该方法仍存在明显的局限性：( 1 ) 焊接熔深浅，熔敷效率低，一般仅限于焊 接3 m m 以下的板，厚板时需开开坡口进行多道焊。( 2 ) g t a w 焊对施焊材料中的 一些微量添加元素较为敏感。微量元素可改变熔池中液态金属的表面张力，进而 影响熔深，导致焊接工艺的再现性差，影响了焊接质量。另外，若采用多道焊， 则焊接变形与热影响区增大，通常会影响到焊接接头的质量。例如，对钛合金来 说，热影响区增大意味着晶粒的长大，其韧性急剧下降【4 j 。 为了克服以上缺陷，k t i g 焊接法应运而生。1 9 9 7 年澳大利亚研究机构 c s i r o 发明了k t i g 焊接法并应用于3 1 2 m m 不锈钢的焊接，可以单面焊双面 成型，焊接过程稳定，焊接波纹细腻，成型美观，焊缝质量高【5 】。k t i g 焊的研 究和开发既能充分利用t i g 焊的优点，又能有效的大幅度提高焊接熔深的新型 t i g 焊接方法和技术，是世界范围内焊接技术研究人员追求和研究的目标之一【6 】。 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 1 2 1k t i g 焊接机理 k t i g 焊与小孔等离子焊接过程中形成小孔的原理有本质区别，等离子焊接 需要压缩电弧，焊接能量密度很高，而k t i g 焊接法形成的小孔是“自然 形 成的，电弧不经过压缩，主要是靠大电流形成的电弧力与表面张力平衡形成小孔 而焊接7 1 。 a ) c ) b ) 图1 1k - t i g 焊接机理 k t i g 焊接机理如图1 1 所示。基材在高温电弧的作用下迅速被加热，表面 温度在极短时间内升高到沸点，金属熔化或汽化。金属汽化时，产生的金属蒸汽 以一定的速度离开熔池，金属蒸汽的逸出对熔化的液态金属产生一个反作用力， 与电弧压力共同作用，使熔池金属表面向下凹陷，产生一个小凹坑，熔化的金属 被挤向熔池四周。这个过程继续进行下去，便在液态金属中形成一个小孔。k t i g 焊接过程中形成小孔的原理可以用肥皂泡形象的描述。铁丝环上的肥皂膜受到压 力的作用会向下凹陷形成一个肥皂泡，如图1 1 ( b ) 所示，此状态下肥皂泡的表面 张力与压力平衡，但极易受到其它因素的影响，肥皂泡容易变形或破碎。当肥皂 泡的底部碰触到另一铁丝环时，它的表面张力和所受的压力都会产生突变性的减 小，两端固定，对减小的力也比较好控制，因此这种图1 1 ( c ) 所示的圆锥式的泡 沫形态较为稳定。 2 气体保护、 热离子密度 与钨极的表面温度和几何参数有关【引。s a v a g e e t a l 9 1 推测钨极发射热离子的面积与 焊接电流、钨极尖端角度和钨极直径有关，可用下式表示： 入d | 入c = s i n o 其中：a d 为发射热离子最大直径处的横截面积；a 。为钨极发射热离子的表面积； 2 口为钨极尖端夹角。 ( 2 ) 保护气体的种类和气流流量。k t i g 焊通常使用纯氩气做为保护气体。 焊接时气体流量要足够大，以使保护气体有足够的挺度，提高其抗干扰的能力。 但是，气体流量过大，保护气流的紊流度增大，将外界空气卷入焊接区，使保护 效果变差，甚至在焊缝中引起气孔。k t i g 焊时一般保护气体流量为2 0 l m i n ， 可达到良好的保护效果。 ( 3 ) 高精度的夹具和焊接工艺参数( 如焊接速度、焊接电流、电弧电压等) 的合理配合。在焊接操作过程中，应该先调节焊接速度，再调焊接电流( 3 0 0 a 一 1 0 0 0 a ) 。焊接速度与焊板厚度成反比，一般3 m m 的c m n 钢、不锈钢和钛合金 焊速高达7 5 0 m m m i n ，6 m m 的s a f 2 2 0 5 不锈钢焊速约为5 0 0 m m m i n ，1 2 m m 的 奥氏体钢和钛合金焊速约为2 5 0 m m m i n ，1 4 m m 的钛合金焊速为2 5 0 m m m i n 。 当电流大于2 5 0 a 时，电弧压力是小孔形成和保持稳定的一个关键因素。而 k t i g 焊接过程中熔池的小孔行为是影响焊缝成型及焊接接头质量的关键因素， 要获得高质量的焊接接头，必须研究电弧压力及影响电弧压力的因素。澳大利亚 公共研究机构c s i r o 通过实验证明了以下因素与k t i g 焊接电弧压力的关系【5 】： ( 1 ) 焊接电流。焊接电流，是影响电弧压力f 的主要因素，其关系式可表示为： f o c i z ；( 2 ) 钨极尖端角度和钨极直径。尖端夹角减小或增大钨极直径，电弧压力 增大。例如：尖端夹角从9 0 。降到3 0 。，电弧压力会增大1 2 。钨极直径从2 4 m m 到6 o m m ，将使电弧压力增大9 ；( 3 ) 电弧电压。电弧电压增大，热量的输入增 加，电弧压力增大；( 4 ) 钨极的凸台半径。减小凸台半径会降低电弧电压，增大 热量的输入。 1 2 3k t i g 焊接装置 k t i g 焊的焊接电流一般是3 0 0 a - 1 0 0 0 a ，主要应用于平焊，其装置系统应 包括以下几部分，如图1 2 所示【1 0 】。 ( 1 ) 焊接控制用户界面； ( 2 ) 焊接电源；直流输出6 0 0 1 0 0 0 a ，焊接电流与焊接板材的厚度成正比关 3 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 系。需“热启动 装置，提供开端( 起弧) 的聚增电流，即一台6 5 0 a 的逆变器， 另外需要一台1 0 0 0 a 的整流器提供大电流。 ( 3 ) 气体控制系统；实现焊接保护、焊后保护( 使用托罩) 及背面保护。 ( 4 ) 循环冷却系统；焊枪功率非常大，冷却问题非常关键； ( 5 ) 送丝系统：焊丝材料； ( 6 ) 电弧控制系统；电弧是保持焊接稳定的关键因素； ( 7 ) 外部设备连接界面。 a ) b j 图1 2 焊接装置图 k t i g 焊接法的关键技术是：大电流焊枪( 图1 3 ) 和焊接过程中小孔的保 持。大电流的k t i g 焊枪必须有良好的冷却系统和适量的保护气体以确保电弧 的稳定。根据焊接电流确定钨极半径、钨极凸台半径和钨极尖端夹角。在焊接过 程中形成的小孔可提高电弧力和材料对热量的吸收率，这是获得良好焊接质量的 前提条件。为获得高质量的焊接接头，在焊接过程中合理调整焊接规范参数，使 4 b ) 图1 3k - t i g 焊枪 c ) 图1 4 拖罩 小孔的形状 液态金属表 k t i g 焊接采用大电流，产热较多，焊板受热面积较大。在k t i g 焊接过 程中，只靠从焊枪喷嘴出来的正面保护气体进行保护很难达到要求，会产生氧化 现象。为此苏州华焊科技有限公司专门设计了托罩，如图1 4 所示。焊接时将托 罩固定在k t i g 焊枪的喷嘴上，在托罩中通入氩气，用以保护焊缝高温区域， 增加氩气对焊缝的保护时间，使熔池在冷态的时候再与空气接触，避免了氧化的 可能【2 j 。托罩的结构和尺寸可以根据焊缝形状、焊件尺寸、焊接材料的物理性质 和操作方法等确定，托罩的尺寸和形状会影响对焊缝的保护效果【3 4 】。有时为了 增加焊缝力学性能，也会填充焊丝。为避免与托罩相干扰，焊丝会安装在焊枪的 运动方向上，与基材成较小角度但不要严格控制( 如3 0 。) ，这样焊丝的填充 5 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 不会影响到电弧的状态。在焊接过程中，电极始终在焊缝的中心位置，这样能更 好的控制熔池的大小，而且可使喷嘴、托罩保护气体均匀地保护熔池不被氧化。 当焊接结束时，托罩保护不能立即结束，必须等焊缝温度降至一定温度才能停止 送气。 1 2 4k t i g 焊接的优势及应用 k t i g 焊接设备耗费的资金比小孔等离子焊、激光焊和电子束焊少，其焊接 操作相对容易7 1 。葡萄牙焊接质量协会曾通过实验证明k t i g 焊接速度是等离子 焊接速度的2 3 。 k t i g 焊与常规t i g 焊比较有以下几条突出优点：( 1 ) 焊缝质量高；( 2 ) 焊接 熔深大，焊接速度快，生产率高；( 3 ) 仅需要直边坡口：( 4 ) 成本低，填丝量大大 减少；( 5 ) 易实现焊接自动化。 k t i g 焊接技术适合应用于焊接低密度或较低热导率的金属，例如钴合金、 白铜、钛、锆镍基合金、不锈钢等【2 】。k t i g 焊接法自从1 9 9 7 年1 1 月组建小组 研究至今，已有很大突破，并已成功应用于工业生产。图1 5 所示为焊接1 2 m m 的不锈钢板用常规t i g 焊和k t i g 焊采用不同焊接规范参数得到的焊缝形貌图， 图1 6 为焊缝外观图。应用实例：焊接板材、管材( 图1 7 ) 、压力容器、轧管 机、造船、地下管道等。 焊接方法常规t i g k t i g 图鳖7 。叠一 图1 5 焊缝形貌图 6 硕士学位论文 图1 6 焊缝外观 a ) 焊接板材 图1 7k - t i g 焊接应用 b ) 焊接管材 对于k t i g 焊，国外已经开始了工业化应用，但国内除了苏州华焊科技有限 公司外，还没有研究机构关注该技术。华焊公司已经初步研究了该技术的设备， 对k t i g 焊枪进行了仿效性研究，但未对焊接机理深入分析。因此本文采用数值 模拟的方法对k t i g 焊接电弧特性进行研究，可以为焊接技术人员提供设计依 据，大大节约了研究的人力、物力和时间，有助于从更深层次上理解k t i g 焊接 过程的物理实质，实现对焊接过程的控制。 1 3 本文的主要研究内容 k t i g 焊接法的电弧温度非常高，弧光也很强烈，很难通过实验的方法研究 电弧的行为特性，而数值模拟则可以在一定模型下提供流场、热场及物理参数信 息。在本课题中，将要完成的主要工作内容如下： ( 1 ) 根据磁流体动力学理论、麦克斯韦方程组以及焊接的实际情况，建立 k t i g 焊接电弧的三维数学模型，给出能量和动量边界条件及源项，建立连续性 方程、运动方程、能量平衡方程、补充方程及k _ s 湍流模型等。通过迭代求解， 7 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 分析电弧的行为特征。 ( 2 ) 通过前处理软件g a m b i t 划分网格，确定模型的边界，温度、速度场 的计算区域。为了保证计算结果的精度，在阴极端部和电弧中心等较为重要的部 位划分较密网格，采用将非结构网格和适应性网格相结合构成的混合型网格来对 几何模型进行划分。 ( 3 ) 在f l u e n t 软件中，通过编译c 语言程序定义材料物性参数、边界条 件和源项等程序，采用有限元方法求解方程，对所建立的k - t i g 焊接电弧模型 进行仿真计算，分析焊接工艺参数( 如焊接电流、弧长等) 、大电流焊枪结构、 钨极形状及保护气体流量对电弧行为的影响，模拟出电弧的温度场和流场的分布 状态。 8 硕上学位论文 第2 章焊接数值模拟与f l u e n t 软件 2 1 焊接数值模拟概述 2 1 1 数值模拟对焊接工艺研究的意义 焊接过程是一个非平衡、瞬时的、极不均匀的物理化学过程，它涉及到电弧 物理、传热、传质和力学等方面。电弧的焊接过程伴随着刺眼的弧光和强对流的 电场和磁场，使得对焊接过程的实时监测与监控是非常困难的，不仅需要特殊的 方法，而且对设备的要求也很高。 数值模拟可以用来近似的描述由电弧焊接过程引发的现象，研究过程参数是 如何影响焊接质量的。焊接现象包括焊接时的电磁和传热过程、金属的熔化和凝 固、冷却时的相变、焊接应力与变形等等。要得到高质量的焊接结构必须要控制 这些因素。若用计算机模拟重现这些现象，就可以为焊接技术人员提供设计依据， 大大节约了研究的人力、物力和时间【l3 1 。 焊接的数值模拟有助于人们从更深层次上理解焊接过程的物理实质，模拟的 结果有利于实现对焊接过程的控制【1 4 1 。利用数值模拟计算焊接热过程，还可为 合理选择焊接方法和工艺参数以及进一步进行冶金分析和动态应力应变分析奠 定基础。 2 1 2 国内外焊接电弧数值模拟的发展 早期对电弧的数学研究仅局限在解析方法上。上世纪三十年代e l e n b a a s 和 h e l l e r 通过建立电弧能量方程，求得了弧柱内的温度分布，并建立了电弧半径、 电场强度和电流等参数之间的关系n 5 1 。 上世纪五十年代，学者对电弧特性进行数学描述研究时，都是将守恒方程中 的动量和能量方程分开来考虑，如m a c c k c r 在假设电弧为无粘性的理想流体条件下 仅根据轴向动量方程计算了阴极下方的最大流动速度，s t r a c h a n 和b a r r a u l t 利用电 场、电弧半径以及辐射损失等一些试验数据，根据能量平衡方程估算了等离子电 弧的平均速度n 引。 自上个世纪七八十年代，国外就开展了对焊接电弧完整体系的数值研究和模 拟。k c h s u 等人首次根据流体守恒控制方程组和麦克斯韦方程组对整个自由电 弧区域建立了二维模型n ，也就是耦合考虑了电磁力、热传递、气体流动等的作 用。阴极设想为一尖锥的钨棒，其电流密度的分布形式( ，) = e x p ( - b r ) ，其中 丘的近似值为k 5 么斫，= 2 n f 。j ( ，) r d r ，是阴极最热部分的尺寸，r 是 9 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 沿阴极的截面半径。 m c t s a i 与s i n d ok o u 建立的自由电弧模型中考虑了电极形状对电磁场的 影响n 引，也包含了保护气喷嘴部位。c h o o r t c 等人的电弧模型中计算了电弧对 阳极工件的热输入量，电弧对阳极的热输入包括电子迁移传热、对流传热和辐射 传热等三部分。r o b e td u c h a r m e 1 9 l 等在考虑了保护气体流和阴极斑点位置的情况 下建立了电弧数学模型。j j l o w k e 采用了一个统一的电弧一电极处理系统对 g t a w 和g m a w 焊接时的电弧的温度进行了数值预测，该二维模型可在任何给 定电流、焊接气体的电极形状下进行分析乜引。j w m c k e l l i g e t l 2 1 】等建立的关于钨极 氩弧焊热阴极的数学模型，考虑了钨极的热传导和焦耳热热电子发射、鞘层内的 离子流以及阴极和电弧等离子体之间的辐射热交换。s y l e e 瞳幻等应用边界匹配坐 标对t i g 焊接电弧进行了分析。l s a n s o n n e n s 研究了自由燃烧的电弧在双极扩散的 影响下的参数变化。c s w u 乜3 1 等对t i g 焊电弧行为以及电弧阳极表面热流密度分 布进行了研究。 我国焊接的数值模拟研究起步于8 0 年代初，近年来很多的科研单位和个人投 入到了这项研究当中。在焊接电弧方向相当部分集中在对焊接电弧的参数及电弧 控制方面的研究，另一部分是集中在对焊接电弧力场( 电磁力、等离子流力和电 弧压力) 的分析和实验研究心毛2 引。国内的研究者大多以k c h s u 所建立的模型为基 础，同时针对以前所提出的电弧模型的不足，采取了相应的解决措施，并利用通 用的有限元软件模拟出了2 0 0 a 以下直流t i g 焊接电弧等离子体温度场、速度场、 电弧阳极表面的电流密度分布及电弧电磁力等的分布曲线，与实验所测得的电弧 温度场等值曲线能很好的吻合。 1 9 8 5 年樊丁建立了电弧传热传质模型，与众不同的是文中用七一g 处理紊流问 题。随后樊丁又进一步计算了电弧的电流密度、压力场和辐射场，建立了较完善 电弧模型瞳7 2 8 1 。范红刚对直流脉冲g t a w 焊接电弧进行了数值分析和研究，建立 的t i g 电弧模型与前面在外国焊接电弧模拟中提到的模型近似，但对脉冲焊接电 弧的研究与前面的有所不同。武传松和美国的k t s a o 首次研究了m i g m a g 焊接 熔池的流体流动和传热过程，提出了固定电弧二维的焊接对流、传热模型。该模 型不仅考虑了浮力、电磁力、表面张力的影响，还考虑了射流过渡熔滴与熔池之 间的能量交换口9 1 。最近，m a s a o u s h i o ，雷永平等人分别对稳态下的t i g 焊电弧和 熔池的流场和温度场进行了耦合计算口0 3 。贾昌申口羽等还对外加磁场中的焊接电 弧行为进行了研究，分析了焊接电弧在磁场中的运动机制。 近年来，国内外在焊接过程计算机模拟方面开展了许多研究工作，为焊接技 术的发展创造了有利的条件。焊接数值模拟已遍及焊接各个领域，主要研究内容 有：焊接热传导分析；焊接熔池流体动力学；电弧物理；焊接冶金和焊接接头组 织性能的预测；焊接应力与变形；焊接过程中的氢扩散；特殊焊接过程的数值分 1 0 析，如电阻电焊、陶瓷 接头的力学行为等。可 硕士学位论文 金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等；焊接 以预见，数值模拟技术在焊接工程研究中将会有很好的发 展前景3 朝。 2 2f l u e n t 软件简介 在数值模拟过程中，要想得到理想的计算结果，首先要对所应用的软件有一 个准确而详细的了解。f l u e n t 软件是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的 c f d 软件【1 2 】，是目前功能最全面、实用性最广、国内使用最广泛的的商用c f d 软件包之一，是一个用于模拟和分析在复杂的几何区域内的流体流动与热交换问 题的专用c f d 软件。 2 2 1f l u e n t 软件的结构 f l u e n t 是通用c f d 求解器，它本身提供的主要功能包括导入网格模型、提 供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和后处理。一套基本的 f l u e n t 软件包含了两个部分，即g a m b i t 和f l u e n t 。g a m b i t 的主要功能 是几何建模和网格划分，f l u e n t 的功能是流场的解算及后置处理。此外还有其 它专门用途的功能模块，如t e c p l o t 用于后处理。f l u e n t 程序软件包由以下 几个部分组成1 37 j ： ( 1 ) g a m b i t 可生成供f l u e n t 直接使用的网格模型，也可将生成的网格 传送给t g r i d ，由t g r i d 进一步处理后传给f l u e n t 。 g a m b i t 的操作界面如图2 1 所示，其主要功能包括3 个方面：构造几何模型、 划分网格、指定边界和确定边界类型。其中，划分网格是其主要功能。g a m b i t 提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格、非结构网格和混合网格等 对各种复杂区域进行网格划分【3 5 】。在网格生成后，用户可在g a m b i t 中指定边界 类型和区域类型。 ( 2 ) f l u e n t 用于进行流动模拟计算的求解器。 f l u e n t 的操作界面如图2 2 所示，其中标题栏标示出了与具体问题相关的 f l u e n t 求解器的类型；控制台窗口是f l u e n t 所有命令的发出和显示的地方；菜单 栏集中了f l u e n t 中常用功能。 f l u e n t 通过交户的菜单界面与用户进行交户，用户可以通过窗口方式随 时观察计算的进程和计算结果。计算结果可以以云图、等值线图、矢量图、x y 散点图、粒子轨迹图等多种方式显示、存储和打印，甚至传送给其他c f d 或f e m 软件。用户也可以使用基于c 语言的用户自定义函数( u d f ，u s e rd e f i n ef u n c t i o n ) 功能对f l u e n t 进行扩展，定制或控制相关的计算和输入输出【3 6 1 。f l u e n t 使 用c l i e n t s e r v e r 结构，可同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离的运行 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 程序。 图2 1g a m b i t 操作界面 l i 务1 4 够黼鼍蝣姆纛矗嘲t 翱r m 私鳟z 彬，弘矾薹肄”t 茹器妇 蠢l # t 津f l u e 毗2 c o p y r i g h t2 譬f l u e n ti 捆右 矗l ll l l 叠赫t 童蠢t 薯囊审l v 矗 0 “ 标惩搓 蔡攀栏 训”- t o l d | n |：、= f l u e n t 1 矗t 、f l _ 豢翦t 奢- 1 、l l - 、f l 椭s 1 1 1 9 翻” d a 荤i 冀l l ts c r i p tf i l ei so ：”j a c u m n t s 拍d 轨t t l 黯曩n 、穗确、纂融k l l l - f l u e n t 。穗- 镗 控制翕留嗣 蠹秀 磊磊磊历荔荔弦荔茹彩糍j 赫缴荔磊荔，滴南i 彩巍滋；女荔c 玉赫 图2 2f l u e n t 操作界面 ( 3 ) t e c p l o t 软件后处理 t e c p l o t 是a m t e c 公司推出的一个功能强大的科学绘图软件。它提供了丰富 的绘图格式，包括x y 曲线图、多种格式的2 d 和3 d 面绘图、3 d 体会图格式。 软件易学易用，界面友好。而且针对f l u e n t 软件有专门的数据接口，可以直 接读入幸c a s 和d a t 文件，也可以在f l u e n t 软件中选择输出的面和变量，然后 直接输出t e c p l o t 格式文档。t e c p l o t 的操作界面共可以分成四个区：菜单条、工 具栏、工作区和状态栏，如图2 3 。 1 2 状惫栏 图2 3 t e c p l o t 界面分析 最基本的流体数值模拟可以通过以下软件的合作来完成，其关系如图2 4 所 示。u g a u t o c a d 属于c a d c a e 软件，用来生成数值模拟的几何形状；t g r i d 和g a m b i t 是把计算区域离散化或网格生成，其中t g f i d 可以从已有边界网格中 生成体网格，而g a m b i t 自身就可以生成几何图形和划分网格；f l u e n t 求解器是 对离散化且定义了边界条件的区域进行数值模拟；t e c p l o t 可以把从f l u e n t 求解 器导出的特定格式的数据进行可视化，形象的描述各种量在计算区域内的分布。 图2 4 各软件之间的关系 2 2 2f l u e n t 计算原理 1 f l u e n t 的核心算法为s i m p l e 法。s i m p l e 算法是1 9 7 2 年提出的全称为 s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s ，意思是求解压力耦合方程半 隐方法引。其计算步骤如下： 1 ) 假定一个速度场，以此计算动量离散方程中的系数和常数项； 2 ) 假定一个压力场p ； 3 ) 求解两个动量方程，得甜、1 ，木； 1 3 k t i g 焊接电弧特性的数值分析 4 ) 求解压力修正方程，得p ； 5 ) 由p 求速度改进值旷、矿； 6 ) 利用改进后得速度场求解其他物理量矽的离散化方程( 如果矽并不影响流 场，则应在速度场收敛后再解) ； 7 ) 把经过修正的压力p 处理成一个新的估计压力p ，然后返回第三步，直到 求得收敛解。 2 f l u e n t 的算法格式对于对流扩散方程有一阶微分、二阶微分、三阶 微分、中心差分、自定义差分格式、q u i c k 、p o w e r l a w 等，可以随意选取， 至于其他方程可根据实际情况从其提供的丰富的源项中选取相应的部分来计算。 3 f l u e n t 中计算的所有物理量均为有量纲的，至于当量直径等物理量，均 为最常见的定义表示。在计算雷诺数时，速度为当量直径处的速度，如把当量直 径取为默认值，则流速取入口处的流速h 们。 4 数学物理模型控制方程： f l u e n t 的主控方程如下： 昙( 却) + 毒( 眺扔= 毒( 。善) + s 采用隐式积分后得到： 办( 4 一影) = e ( 4 办) + & 式中4 为系数，疋、邑为线性源： s = s c + s p 5 迭代方法 线性代数方程的迭代解法很多，较常用的是点迭代法、块迭代法及强隐迭代 法等。采用块迭代法时，把求解区域分解成若干块，每块可由一条或数条网格线 组成。在同一块中各节点