（材料加工工程专业论文）全熔透tig焊接熔池形态瞬时行为的数值模拟.pdf

山东大学博士学位论文 全熔进t i g焊接烙池形态瞬时行为的 数值模拟 摘要 建立焊接熔池表面变形动态行为与工件熔透程度的 相关性， 定量分析熔池熔 透瞬间 熔池上下表面变形 及其对焊接工艺参数的 动态响应， 将为实 现基于正面视 觉的t i g焊接熔透控制提供指导性的 基础数据。 本文从统一、整体的观点，较 全面地描述了 运动电弧、 三维流场和热场、 瞬态、 全熔透以 及熔池上下表面变形 等因 素， 建立了 全 熔透 t i g焊接 熔池瞬时行为 的 数值分析 模型。 在分析熔池表 面变形的 基础上， 利用适体坐标变换将熔池表面 变形后所形成的复杂物理边界转 变为规则的 计算边界。 建立了 适体坐标系下的离散化控制方程组， 采用附加源项 法对控制方程组的能量和动量边界条件进行了离散。 在模型中， 采用表面变形、 流场和温度场的分离式求解方法， 即三者分别求解， 依次改进， 成功地处理了 熔 池表面变形与流场和热场的 祸合问 题。 采用模块化结构设计， 编写了 一套适合于 模拟运动电弧作用下三维瞬态t i g焊接热过程的 计算程序。 利用所建立的 模型， 对 t i g焊接的 整个过程 ( 包括起弧、 熔池形成、 熔池 长大、 熔透、 达到准稳态、 熄弧) 进行了 数值模拟。 得出了不同工艺条件下熔池 上下表面的 表面变形、 三维形状和熔池内的 流场动态发展过程， 特别是熔池从未 熔透到全熔透的过程中熔池表面变形和三维形状的瞬时演变过程。 还计算了不同 焊接电 流条件下熔池表面的动态行为， 如最大变形、 熔池长度和宽 度的变化等。 数值模拟结果表明， 熔池上表面最大下塌量与 熔池长度、 宽度的比 值随时间的 变 化曲 线， 清晰地反映出 熔池演化和熔透的基本信息， 熔池上表面最大下塌量和熔 池长度、宽度的比 值可以 用作判断熔池熔透情况的指标性参量。 利用本文模型， 模拟了焊接工艺参数发生阶跃变化时， 熔池表面变形和三维 . 美国国家科学荃金资助项目 批准号:d m i -0 1 1 4 9 8 2 .与美国肯塔基大学联合申 报) 摘要 形状的动态响应。 计算了 焊接电 流从i 1 o a阶跃变化为9 0 a时， 以 及焊接速度从 1 6 0 m m l m i n 阶跃变化到 1 8 0 m m l m in时焊接熔池三维形状、熔池表面变形和熔池 流场随时间的动态变化过程。 从熔池形状达到宏观准稳态的角度， 确定了 焊接工 艺参数阶跃变化时的过渡过程时间。 计算结果表明， 熔池上表面最大下塌与 熔池 长度、宽度的比值曲线能够较好地反映焊接工艺参数的变化情况。 建立了 熔透熔池整体受力的力学模型， 发现以 熔池下表面为底的金属液柱的 受 力 情 况 决 定了 焊 接 过 程中 工 件 是 否 焊穿 。 根 据 金 属 液 柱 的 受 力 分 析， 提出 了 一 定 材 质和形 状的 工件 焊穿的 判定 准 则。 从 理论上 分 析了 影响 工件 焊穿的 各种因 素， 并计算了 准稳态熔池中决定熔池塌陷的各力的 大小和比 例。 利用所建立的模 型， 对于一定材质和形状的工件所适用的焊接工艺参数( 焊接电流) 进行了判断 和预测。 进行了 不锈钢和低碳钢试件 t i g焊接工艺实验， 测量了 熔池上表面形状、 焊缝轮廓尺寸和下塌变形. 将实验测试数据与数值模拟结果进行了 对比， 结果表 明，本文数值模拟的计算数据与实测数据吻合良 好。 通过数值模拟和实验验证， 获得了不同 焊接工艺条件下 t i g焊接熔池动态 行为的基础数据， 为 焊接工艺的 优化设计和焊接过程的智能控制提供了重要的理 论依据。 关键词:t i g焊接， 熔池形态，表面变形，瞬时 行为， 全熔透， 数值模拟 山东大学博士学位论文 nu me r i c a l s i mu l a t i o n o f t h e t r a n s i e n t be h a v i o r s o f f u l l - p e n e t r a t e d t i g we l d p o o l s abs tract e s t a b l i s h i n g t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n d y n a m i c b e h a v i o r s o f s u r f a c e d e f o r m a t i o n o f w e l d p o o l s a n d w o r k p i e c e p e n e t r a t i o n i n f o r m a t i o n , a n d q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z i n g t h e s u r f a c e d e f o r m a t i o n a t t o p a n d b o tt o m s u r f a c e s a t t h e m o m e n t w h e n t h e p o o l i s p e n e t r a t e d a n d t h e i r d y n a m i c r e s p o n s e s t o w e l d i n g p r o c e s s p a r a m e t e r s w i l l p r o v i d e m a n y b a s i c d a t a f o r t h e r e a l i z a t i o n o f t o p s i d e v i s i o n - b a s e d p e n e t r a t i o n c o n tr o l i n t i g w e l d i n g . a t r a n s i e n t n u m e r ic a l m o d e l i s d e v e l o p e d t o i n v e s t i g a t e t h e d y n a m i c b e h a v i o r s o f f u l l - p e n e t r a t e d t i g w e l d p o o l s i n t h i s t h e s i s . a w h o l e a n d c o m p r e h e n s i v e s c h e m e i s u s e d i n w h i c h m a n y f a c t o r s s u c h a s m o v i n g a r c , 3 - d fl u i d a n d h e a t fl o w f i e l d s , t r a n s i e n t s t a t e , f u l l - p e n e t r a t e d w e l d p o o l a n d s u r f a c e d e f o r m a t i o n a t b o t h t o p a n d b o tt o m s u r f a c e s a r e c o n s i d e r e d . b a s e d o n t h e a n a ly s i s o f s u r f a c e d e f o r m a t i o n , a c o o r d i n a t e t r a n s f o r m i s i n t r o d u c e d t o c h a n g e t h e c o m p l e x p h y s i c a l b o u n d a r i e s r e s u l t e d f r o m s u r f a c e d e f o r m a t i o n i n t o r e g u l a r o n e s . t h e a d d i t i o n a l s o u r c e t e r m m e t h o d i s u t i l i z e d t o d i s c re t i z e b o t h e n e r g y a n d m o m e n t u m b o u n d a ry c o n d i t i o n s a n d t h e d i s c r e t i z e d g o v e rn i n g e q u a t i o n s i n b o d y - f itt e d c o o r d i n a t e s a r e e s t a b l i s h e d . a s e p a r a t i n g a l g o r i t h m i s e m p l o y e d t o s o l v e s u r f a c e d e f o r m a t i o n , fl u i d fl o w a n d h e a t t r a n s f e r i n t r a n s i e n t p r o b l e m s , i .e . , t h e t h r e e p r o b l e m s a re c a l c u l a t e d s e p a r a t e l y a n d i m p ro v e d b y t u rns . i n t h i s w a y t h e s t r o n g ly c o u p l i n g p r o b l e m s a m o n g s u r f a c e d e f o r m a t i o n , fl u i d fl o w a n d h e a t t r a n s f e r a r e s o l v e d s u c c e s s f u l l y . wi t h m o d u l a r f o r m o f t h e s o ft w a r e s t r u c t u r e , t h e c a l c u l a t i n g p r o b l e m i s d e s i g n e d t o s i m u l a t e t h e 3 - d t r a n s i e n t t i g w e l d i n g t h e r m a l p r o c e s s w it h a m o v i n g a r c . b y u s i n g t h e m o d e l , t h e w h o l e t i g w e l d i n g p r o c e s s ( i n c l u d i n g a r c i g n i t i o n , w e l d p o o l f o r m a t i o n a n d g r o w t h , p e n e t r a t i o n , q u a s i - s t e a d y s t a t e a n d a r c e x t i n g u i s h m e n t s ) a r e s i m u l a t e d , a n d t h e n t h e s u r f a c e d e f o r m a t i o n a t t o p a n d b o tt o m s u r f a c e s o f w e l d p o o l , t h r e e - d i m e n s i o n a l s h a p e o f w e l d , p o o l , t r a n s i e n t s t a t e s o f fl u i d fl o w w i t h d i ff e r e n t w e l d i n g c o n d i t i o n s a re o b t a i n e d . e s p e c i a l l y , t h e t r a n s ie n t d e v e l o p m e n t s o f s u r f a c e d e f o r m a t i o n a n d 3 - d s h a p e o f w e l d p o o l d u r i n g t h e p e r i o d fr o m p a rt i a l p e n e t r a t i o n t o f u l l p e n e t r a t e d a r e p r e d i c t e d . mo r e o v e r , t h e d y n a m i c b e h a v i o r s o f t h e w e l d p o o l s u r f a c e a n d w e l d p o o l g e o m e t ry s u c h a s t h e m a x i m u m d e f o r m a t i o n , p o o l l e n g t h a n d p o o l w i d t h u n d e r d i ff e r e n t l e v e l s o f w e l d i n g c u r r e n t s a r e a n a l y z e d n u m e r i c a l l y . t h e s i m u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e c u r v e s o f r a t i o s o f t h e m a x im u m 摘要 三巴里注巴里巴巴巴里巴巴困粤里巴 d e p r e s s i o n t o t h e l e n g t h a n d w i d t h a t t o p s u r f a c e o f w e l d p o o l a t d i ff e r e n t t im e s c l e a r l y i n d i c a t e t h e b as i c i n f o r m a t i o n o f p e n e t r a t i o n . s o t h e r a t i o s c a n b e u s e d a s i n d i c a t i v e p a r a m e t e r s t o j u d g e w h e t h e r t h e w e l d p o o l i s p e n e t r a t e d . t h e m o d e l i s u s e d t o s i m u l a t e t h e d y n a m i c r e s p o n s e s o f s u r f a c e d e f o r m a t i o n a n d 3 - d s h a p e o f w e l d p o o l s w h e n t h e r e a r e s t e p c h a n g e s o f t h e w e l d i n g p a r a m e t e r s ( w e l d i n g c u r r e n t a n d t r a v e l s p e e d ) . t h e d y n a m i c d e v e l o p m e n t o f t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l w e l d p o o l s u r f a c e , s u r f a c e d e f o r m a t i o n a n d fl u i d f l o w f i e l d s a r e c a l c u l a t e d w h e n t h e w e l d i n g c u r r e n t i s c h a n g e d f r o m i i o a t o 9 0 a a n d t h e w e l d i n g s p e e d i s c h a n g e d f r o m 1 6 0 m m / m i n t o 1 8 0 m m / m i n , r e s p e c t i v e l y . f r o m t h e v i e w t h a t t h e w e l d p o o l r e a c h e s a q u a s i - s t e a d y s t a t e , t h e t r a n s i t i o n a l t i m e i n t e r v a l s o f w e l d p o o l a r e p r e d i c t e d a f t e r t h e s t e p c h a n g e o f w e l d i n g p a r a m e t e r s . t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s s h o w t h a t t h e r a t i o c u r v e s o f t h e m a x i m u m d e p r e s s i o n a t t o p s u r f a c e t o t h e l e n g t h a n d w i d t h o f w e l d p o o l d e m o n s t r a t e t h e v a r i a t i o n o f w e l d i n g p a r a m e t e r s . a m e c h a n i c a l m o d e l o f t h e f u l l y p e n e t r a t e d w e l d p o o l i s e s t a b l i s h e d t o i n v e s t i g a t e h o w t h e b u rn - t h o u g h o c c u r s . i t i s f o u n d e d t h a t t h e f o r c e s a c t i n g o n t h e l i q u i d m e t a l c y l i n d e r , w h o s e b a s e i s t h e b o tt o m s u r f a c e o f w e l d p o o l , d e t e r m i n e w h e t h e r th e b u r n - t h o u g h o c c u r s . a c c o r d i n g t o t h e m e c h a n i c a l a n a l y s i s o f t h e l i q u i d m e t a l c y l i n d e r , a c r i t e r i o n i s s e t u p f o r j u d g i n g w h e th e r t h e w o r k p i e c e w i l l b u m t h o u g h w i t h a s p e c i f i c t h i c k n e s s a n d s e l e c t in g w e l d i n g p a r a m e t e r s . t h e f a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e b u rn - t h o u g h a r e s t u d i e d t h e o r e t i c a l ly , a n d t h e m a g n i t u d e a n d s c a l e o f f o r c e s t h a t a c t i n g o n t h e l i q u id m e t a l c y l i n d e r i n a q u a s i - s t e a d y s t a t e w e l d p o o l a r e c a l c u l a t e d . b y u s in g t h e e s t a b l i s h e d m o d e l , c a lc u l a t i o n a r e p e r f o r m e d t o j u d g e a n d p r e d i c t t h e s e l e c t e d w e l d in g p a r a m e t e r s ( w e l d i n g c u r r e n t ) s u i t a b l e f o r a w o r k p i e c e w i t h s p e c i fi c t h i c k n e s s . t i g w e l d i n g e x p e r i m e n t s o n s t a i n l e s s s t e e l a n d m i l d s t e e l p l a t e s a re c a r r i e d o u t , i n w h i c h t h e s h a p e o f w e ld p o o l a t t o p s u r f a c e , c o n f i g u r a t i o n o f w e l d b e a d a n d d e f o r m a t i o n a t b o tt o m s u r f a c e a r e m e a s u r e d . t h e m e a s u r e d d a t a a n d p r e d i c t e d d a t a a r e c o m p a r e d t o g e t h e r , a n d t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e y h a v e g o o d a g r e e m e n t s i n t h i s t h e s i s , a g r e a t m o u n t o f b as i c d a t a a b o u t t h e d y n a m i c b e h a v i o r s o f w e l d p o o l s a t d i ff e r e n t t i g w e l d i n g c o n d i t i o n s a r e o b ta i n e d a f t e r n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t s , w h i c h p r o v i d e s s ig n i f i c a n t t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e o p t im u m d e s i g n o f w e l d i n g p a r a m e t e r s a n d in t e l l i g e n t c o n t r o l o f w e l d i n g p r o c e s s . k e y w o r d s : t i g w e l d in g , w e l d p o o l b e h a v i o r s , s u r f a c e d e f o r m a ti o n , t r a n s i e n t b e h a v i o r s , f u l l p e n e t r a t i o n , n u m e r i c a l s i m u l a ti o n 原 创 性 声 明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独 立进行研究所取得的成果。 除文中已 经注明引用的内 容外， 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研 究作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责任由本人承担。 论文作者签名: 4, , 8 m 成 日 期: j a n ,3 . i 丝0 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意学 校保留或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; 本人授权山东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、 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定 ) 论文作者签名: k 4 pm 4导师签名: (9 日 期: 砂丝卫 竺 山东大学博士学位论文 主要符号表 a局7汾 a s a c 1 ,q c n d d d d h - e f x ,凡，凡 f b s g，g v h e h v 1 k k s e g r l 尸 几rc 凡， q a rc q c o m q e v n p q , a d 犷 r s 硫的活度 蒸发常数 参考压力 定压比热容 熔池宽度 上表面最大下塌量 上表面最大隆起量 电弧电压 电磁力 浮力 重力加速度 重力 工件和环境的换热系数 液一 气相变潜热 焊接电流 导热系数 偏析平衡常数 熔池长度 工件厚度 压力 电弧压力 大气压力 电弧热流密度 对流热流密度 蒸发热流密度 辐射热流密度 半径 气体常数 熔池面积 t t t o t o o u o u, v , w u * , v ,旷 x , 卫 z 扭.华 x 夕， z s x , b y , s z at e t r , n 产 产0 p a a 1 u y 叮1 , 口 1 尹 少 时间 温度 工件初始温度 环境温度 焊接速度 直角坐标系中的速度 适体坐标系中的速度 直角坐标 适体坐标 夹角 热膨胀系数 夹角 表面张力 时间步长 网格间距 温度差 辐射率 表面剪切力 表面过饱和参数 电弧热效率 动力粘度系数 真空磁导率 密度 s t e f a n - b o l t z m a n n 常数 电 流分布参数 热流分布参数 熔池上下表面的张力 熔池上表面形状函数 熔池下表面形状函数 山东大学博士学位论文 第一章绪论 1 . 1选题意义 焊接熔池形态( 焊接熔池的几何形状、 熔池内流体动力学状态及传热传质过 程) 是影响 焊接过 程和焊接质量的主要因 素之一 n - s 1 。 通过实验或理论的方 法获 得焊接熔池形态的动态信息， 一直是焊接学科的 前沿课题之一9 - 1 2 1 。 从焊接工艺 的角度来看， 如何由机器代替焊工， 通过对熔池形态的实时控制和分析， 得出焊 接质量的相关信息 ( 例如，工件全熔透，不出现工件焊穿或熔透过大现象) ，是 焊接质量控制过程中一个十分重要的环节。 实践中一般用工件背面的熔池熔宽和 下塌来反映工件的熔透程度。 然而， 在工件背面安装传感器来检测熔池背面的熔 宽和下塌， 直接影响到焊接工位的可达性和焊枪运动的灵活性， 应用场合受到较 大的局限. 因 此， 从工件的正面检测熔池形态一直是人们所追求的目 标。 研究表 明， 基于对熔池表面形状的正面视觉检测， 可以 提取出反映背面熔透情况的可靠 信息.为了实现 t i g焊接熔透的自 动控制，需要建立控制模型以定量描述 “ 焊 接工艺参数一正面熔池形态一工件背面熔宽和下塌” 之间的关系。 如果单凭工艺 实验来建立这种相关性， 要花费大量的人力物力， 并且其结果也仅适用于特定的 实验条件。 采用数值模拟并辅以少量实验验证的方法， 可以 通过对熔池形态的数 值分 析来建 立控制 模型， 能 够代替 大量的 重复 性实 验 i3 -1 6 1 。 这种方 法不仅可以 节 省大量的人力物力，还可以解决某些熔池形态参数无法依靠实验直接检测的难 题。 本课题通过对全熔透t i g焊接熔池形态瞬时行为的数值模拟，分析t i g焊 接熔透熔池三维表面形状的动态行为， 定量描述其与工件熔透程度的相关性， 研 究熔池熔透瞬间以 及不同 熔透程度所对应的 熔池上下表面变形， 分析熔池表面变 形对焊接工艺参数变化时的动态响应特性， 提出 熔池塌陷的判定条件， 为实现基 第一章 绪论 于正面视觉的 t i g焊接熔透控制提供基础数据，具有重要的理论意义和工程实 用价值。 1 .2电弧焊接熔池行为数值模拟的进展 焊接热过 程计算的 研究开始于上个世纪四 十年 代。 r o s e n t h 澎1 7 ,1 8 1 分析了 移动 热 源 在固 体中 的 热 传导 模型， 雷 卡 林 (1 9 提出了 焊 接 温 度 场的 解 析 解。 他们的 研究 是建立在大量简化假设的基础上的， 在焊接熔池附近区域计算结果和实际相差很 大。 但是， 他 们的 工作 奠定了 焊 接热 过 程的 基 础。 后 来 的 研究 者 2 0 .2 3 都 试图 在雷 卡林一r o s e n t h a l 公式的基础上修正其不合理的 假设条件， 提高计算精度，但由 于这些公式本身固有的不足，都没有大的进展。 电子计算机的发展推动了数值分析在焊接热过程中的应用。 数值分析法能够 处理焊接过程中 各种复杂的 边界条件、 热源分布和非线性问 题， 具有解析法不可 比 拟的优势。因此数值分析在焊接热过程的研究中得到了广泛的应用. 1 . 2 . 1 数值模型的 进展 描述 t i g焊接热过程的数学模型是数值模拟方法的基础，从所描述的具体 热过程可分为稳态、准稳态和瞬态三类。理论上，在固定电弧t i g焊接过程中， 当从电弧输入工件的热量等于工件向周围损失的热量的时候， 焊接熔池就会保持 一种形状不变的形态， 此时称熔池达到了稳态。 这种所谓的 稳态问题在实际 焊接 过程中很少遇到，目 前己 经少有人研究。当电弧运动的时候， 如果以电极为参照 系， 焊接开始以 后， 经过一段短暂时间， 熔池的形状和焊接温度场不再变化， 达 到了准稳态。 尽管熔池的形状不再变化， 但其在工件上的位置不断地沿焊接方向 运动，整个过程实际上仍然是瞬态的。 可见， 准稳态模型是对瞬态模型的简化。 瞬态模型能够描述焊接过程的各个阶段， 如起弧， 熔池逐渐长大达到准稳态， 熔 池稳定发展，以及熄弧后熔池急剧缩小直至消失. 因此， 瞬态模型最贴近于焊接 过程的实际情况。 t i g焊接热过程的数值模型正是从稳态、 准稳态和瞬态逐步发 山东大学博士学位论文 展而来的. 早期的研究者所建立的 t i g焊接过程的数学模型大多是描述二维稳态问 题 2 4 -3 0 1 。 在 这个阶段， 为了 简化 模型和计算， 大多数 研究 者都对焊 接热过程做了 一 定的 假设。 如电 弧固定不动、 熔池表面不变形、 不考虑熔池内 流体的 流动、 工件 没有熔透等等。 这些假设往往与实际焊接条件严重不符， 因 此必然导致计算结果 与实际偏差太大。 但是， 这些研究结果为后人的进一步研究奠定了 基础。 二十世 纪六十年代中期以后， 熔池中流体的流动传热逐渐被人们所重视。 研究表明， 在 表面张力梯度、 电磁力、 浮力等的作用下， 熔池内的流体 所产生的流动对焊接热 过 程 有 着 重要的 影 响。 o r e p e r 首 先 对熔 池内 表面 张 力 梯度、 电 磁 力、 浮力 所引 起 的 流体 流动及传热过 程建立了 数学 模型3 2 3 。 此 后， 各国的 研究者 进行了 大量的 数 值 模拟 和 试 验 工 作1-8 ,3 2 .5 7 1提出了 许多 不同 的 准 稳 态 和 瞬 态 数 值 计 算 模 型， 并 取 得了显著的成果。 z a c h a r i a 等对熔池表面变形情况下的流体流动与传热准稳态和瞬态过程进行 了 一系 列的 数值模拟研究 (5 ,5 4 .6 11 。 他使 用离散 元素 分析技术 ( d i s c r e t e e l e m e n t a n a ly s i s ) 建 立了 二 维 ( 图1 . 1 ) 和 三 维t i g 焊接 熔 池流 场 和热 场的 数 值 模型。 模 型将浮力、 表面张力和电 磁力视为流体流动的 驱动力， 把熔池的表面看作是可自 由 变形的。 预测了 焊接后焊缝表面的 变形， 计算了 在固定电 弧和运动电弧作用下 熔池内流体的流动和传热过程， 并对具有规则和复杂几何外形的工件的 焊接过程 进行了分析。 他的研究表明: 熔池内流体流动和传热过程以及工件的形状对熔池 的形成有着重大的影响。 z a c h a r i a 还考察了 工件在倾斜放置和微重力环境中熔池 内 流 体 的 流 动 和 传 热过 程以 及 熔 池 表 面变 形的 情 况 【5 9 1 此 外， z a c h a r i a 分 析了 表 面 活 性 元素和 温 度 分布 对 焊 缝 成 形的 影响 5 5 1 。 他将 表面张力温度系数看作是温度和硫含量的函数。 选用了 两种硫含量不同的耐热钢 进行了 t i g点焊和激光焊。计算结果表明，熔池表面张力的变化将决定熔池内 的流体流动，并能控制熔池的发展。在t i g焊过程中 硫含量的增加使熔深增大， 在激光焊中 硫含量的增加对熔池成形没有明 显影响。 活性元素水平和表面温度共 同决定 熔池的熔深和深宽比。 但在该模型中他假设 熔池表面不变形。 z a c h a r i a 还 建立了 熔池表面变形的二维模型【 5 6 1 ， 并进行了 实验验证. z a c h a r i a 还考虑了由 温 第一章 绪论 度变化引 起的密度变化， 金属表面蒸发及材料热物性参数随温度的非线性变化对 熔池流体流动的影响 5 8 1 。 但是， z a c h a r i a 的模型没有涉及熔池熔透的情况。 了 1 目 住 .曰翻洲月 1. . 一 1 u 1 0 g e n g u s w e l di n g - , . *- 一画 . 刁.内 . 月 - 二皿 a. ， .，二4 - . 占 . 山 闷 旧 . . 州 . . 电闷 . . . ， 叫 断. 口 图1 . 1三 维 瞬 态 熔 池 流 动的 数 值 模 拟 结 果 【6 0 1 f ig . 1 . 1 t r a n s ie n t 3 - d c o n v e c t i o n fl o w c o n d it i o n s 6 0 1 c h e n 提出了固定电弧作用下二维t i g焊接熔池的瞬态模型6 z - 6 4 1 。 该模型根 据作用于熔池自由表面两侧的电 弧压力、 表面张力、 剪切力和内部压力的平衡关 系推导出自 由表面变形方程， 计算了未熔透和熔透条件下熔池的表面变形. 在模 型中， 将重力归于体积力， 认为引起熔池内流体对流流动的驱动力主要由电磁力、 表面张力梯度、 浮力、 等离子流的压力和剪切力组成。 他考虑了工件金属的熔化 潜热， 利用映射关系将变形的 熔池转换成规则的 形状， 使用上一时间步的 信息来 求解新时间步上相互藕合的流场、 热场和熔池的固液以 及气液界面。 该模型没有 将表面张力看作是温度和硫含量的函数， 而是取固定值， 并对不同表面张力温度 系数条件下熔透和未熔透熔池内 流体的流动状态做了比较( 图1 .2 ) 。 他的研究表 明:由于重力的作用， 熔池熔透以 后其表面变形有着很大的增加， 并影响了熔池 内 流体的流动; 熔池从未熔透到熔透的转变过程中， 熔池内流体的流态发生变化; 在熔透条件下， 表面张力温度系数的正负、 大小对熔池内流体的流态有着重要的 影响。 但他的模型只是针对固定电弧焊接的情况， 其研究的重心是熔池的流场和 山东大学博士学位论文 热场，并未对运动电弧的情况以及熔池的形状和表面变形的动态行为做出分析。 0 .08 w v. 氏翻一 一互面面 .3- 0- 了 元 一一 一一 一了的 图1 .2 表 面张 力 温 度系 数为。 . 1 x 1 0 0 时未 熔透 熔 池与 熔 透 流 场和 热 场的比 较 6 2 1 f i g . 1 .2 c o m p a r i s o n o f t e m p e r a t u r e a n d v e l o c i t y v e c t o r b e t w e e n p a rt i a l l y a n d f u l l y p e n e t r a t e d w e ld p o o l 6 2 1 曹振宁建立了三维t i g / m i g焊接熔池流场和热场的 准稳态数值模型(6 5 1 。该 模型不仅综合考虑了 使熔池液态金属产生运动的自 然对流、 电磁力和表面张力梯 度等驱动力， 而且考虑了由电弧压力、 熔池自 身重力和熔池表面张力综合作用所 产生的熔透熔池的上下表面变形，并将熔透情况下 t i g焊接熔池上下表面变形 的计算与 熔池流场和热场的计算相结合 ( 同时计算) 。克服了以 往的t i g焊接熔 池流场与热场模型不能处理熔透情况的局限性。 但是， 曹振宁的模型只是准稳态 模型，没有涉及瞬态的情况。 郑炜建立了 脉冲 t i g焊接熔池流场与热场动态过程的瞬态数值模型166 1 。 她 的模型综合考虑了周期性变化的电弧热流所引起的熔池中流体流动状态、 温度场 以及熔池形状的周期性变化: 熔池中流体在表面张力梯度、 电磁力和浮力共同作 用下的流动; 熔池表面的蒸发散热;熔池固液界面的熔化/ 凝固相变以及表面张 力温度系数随温度的 变化情况。 建立了 一套适合于该模型非稳态、 非线性、 多区 第一章 绪论 域、 强祸合特点的数值模拟方法。 提出了处理动量边界条件的附加源项法; 采用 附加源项法处理全部的边界条件; 采用s l m p l e c算法处理流场的速度与压力藕 合问题:采用 a d i 线迭代及块修正技术迭代求解代数方程;采用了显热容法处 理融化/ 凝固相变潜热。但是，郑炜没有考虑熔池的表面变形，更没有涉及熔池 熔透的情况。 孙俊生分析了电弧热流与熔滴热焙量分布模式对 mi g焊接熔池行为的影响 6 7 。 他根据熔池表面变形改变了电 弧电 流导电 路径这一物理现象， 提出了m i g / m a g焊接电流密度在变形熔池表面上的分布模型， 并以此为基础建立了电弧热 流密度在变形熔池表面上的分布模式， 克服了以往的模式采用高斯函数型热流分 布模式的局限性。通过综合分析熔滴过渡到熔池表面时所拥有的冲击力 ( 动量) 和动能以及熔滴进入熔池后的受力情况， 根据动量和动能平衡， 建立了熔滴热焙 量在表面变形熔池内 部的分布模型。 计算了 m i g / m a g焊接熔池的流场和温度 场， 揭示了焊接工艺参数熔池表面变形热输入分布模式熔池几何尺 寸和温度场之间的内 在联系以 及相互影响规律。 但是， 孙俊生的模型没有涉及熔 池熔透的情况。 此 外， o r e p e r (4 0 4 1, 6 8 ) 建 立了 固 定 电 弧 的 二 维 瞬 态 模 型， 分 析了 瞬 态 对 流 在 熔 池 熔化 和 凝固 过 程中 的 作 用。 t s 澎 6 9 -7 2 ) 提出 了 固 定电 弧 二 维准 稳 态模 型， 研 究了 熔 池中由 电 磁力引 起的 对 流及 对流 对 熔 池表 面变 形的 影响。 d o m e y 7 3 发展了 固 定电弧的瞬态数值模型，计算了不同重力环境中浮力对熔池内流体流动的影响。 1 . 2 . 2 熔池自 由 表面的变形 t i g焊接过程中， 作用于熔池表面的力有电 弧压力、 表面张力、 熔池重力等。 电 弧不仅作为分布热源为工件提供热能， 而且也是一个力源。 通常电 弧产生的 机 械作用力称为电 弧压力， 它包括电 磁收缩力、 等离子流力、 斑点压力等。 熔池表 面在电弧压力作用下， 将发生变形及波动。 在熔池的自由表面上， 液相和气相对 界面上质点的作用力不同， 其中气相对质点的作用力远小于液体内部对它的作用 力， 结果表面层质点受到一个指向液体内部的力， 称之为表面张力。 液体的表面 山东大学博士学位论文 一里 里 里 巴 巴 巴 巴 巴 巴 里 里 巴 巴 曰 里 里 巴 里 三 巴 巴 巴 巴 巴 巴 ， 恩 . 里 里 里 里 ， 巴 巴 巴 里 里 里 张 力 总 是 力图 缩小 其 表 面 积。 熔池 熔透以 后， 液 态 金属 下 塌， 熔 池的 上 下 表面 都 要发生变形。 熔池自 由 表面的变形对焊接过程及其数值模拟有重要的影响。 首先， 熔池表 面的 变 形 可直 接影 响 到电 弧的 行 为 7 a -7 7 1 ， 电 弧 作 用 于 熔 池表 面的 热 流 及电 流密 度 发生变化. 其次， 熔池的表面变形改变了 熔池内的传热条件， 熔池的三维形状随 之要发生变化， 从而影响到焊接的质量和效率。 最后， 在数值模拟方面， 熔池表 面变形以 后工件边界发生变化， 改变了能量和动量边界条件， 为方程的求解带来 了很大的麻烦。 l i n 7 8 的 研究表明， 当t i g焊接电 流较小时， 熔池的表面变形很小， 在数值 模型中 可以 假定 熔池表面是平的。当电 流超过2 0 0 a时， 熔池的 表面变形较大， 就不能再使用平面假设。 然而， 尽管熔池的 表面变形很小， 不考虑熔池自 由 表面 的变形，毕竟不符合焊接的实际条件。 而且如果工件的厚度较小 小于3 m m) , 在工件熔透之后， 熔池的表面变形就必须作为一 个重要的因素加以 考虑。 有研究 表明 ， 熔 池的 表 面 变 形 对 熔 池 形 状的 演 变 有 着 重 要的 影 响 6