基于FLUENT的CMT焊接熔池流场的数值分析

r蜉搭 计算机辅助焊接工程专题 一 砌 基 于 F L U E NT的 C MT焊 接 熔 池 流 场 的数 值 分 析 江 苏省特种设备安全监督检验研究院扬 州分 2 2 5 0 0 3 姚庆军 江苏科技大学 江苏省先进焊接技术重点 实验室 镇 江市2 1 2 0 0 3 刘书高 胡庆贤 王顺尧王晓丽 摘要C MT是一种新型的低热输入焊接工艺 在传热学和流体动力学的基础上 结合 C M T熔滴过渡在一冷一 热不断交替中完成特点 同时考虑了相变潜热 材料热物理性参数随温度变化等问题 建立了 C MT焊接熔池三维 瞬态数学模型 对熔滴及母材分别施加弓柱状热源与双椭球热源 并利用 U D F进行二次开发 成功实现了热量与 熔池体积力脉冲施加 用所建模型研究了C M T焊接熔池的演变过程 较好的模拟了不同焊接参数对 C MT焊接流 场的影响规律以及准稳态时基值电流与峰值电流作用期间熔池流场的分布规律 同时分别分析了浮力 电磁力 重 力对熔池流场分布的影响 关键 词 C MT焊接流场脉冲数值模拟 中图分类号 T G 4 4 2 0前 言 C M T c o l d m e t a l t r a n s f e r 冷金 属过渡技术 是指将 送丝与熔滴过渡过程进行数字化协调 在短路瞬间 电 流大幅降低 使熔滴温度下降 同时送丝机 回抽焊丝 在机械拉伸作用下使焊丝与熔滴分离 避 免了传统短 路过渡时所产生的飞溅 I 2 J 在 1 ra i n内有 7 0次左右 电弧燃烧 与熄灭与熔滴过渡 在焊接过程 中实现冷 一 热交替焊接 大幅度降低热输入 为薄板焊接提供了理 想的解决方案 C M T机械式监测和调整 电弧长度 弧长取决 于焊丝 的送进和 回抽运动 实现了精确的弧 长控制 与传统 的 G M A W 不 同 电弧长度不受 工件表 面和焊接速度的影响 C M T技术 引弧迅速可靠 引弧 速度是传统 G MA W 速度的 2倍 在非常短的时间内即 可熔化母材 C M T技术 开辟 了焊接领 域的新 纪元 几 乎可以应用于所有 已知 的材料 这项技 术 已被成功 的 应用到汽车工业 航天领域 以及建筑钢结构等领域 j 对 C M T焊接过程进行有限元计算 分析研究熔池 中的 流场分布规律 对于深入理解 C MT熔滴过渡过程 中的 传热和传质规律具有重要意义 文中在传 热学 流体力学 等理论 基础 之上 结 合 C MT焊接工艺特点 建立了移动 电弧下 C MT焊接三维 收稿 日期 2 0 1 4 0 1 1 8 基金项 目 江苏高校优 势学 科建 设工 程资 助项 目 国家 自然科 学 基金 51 0 0 5l O 6 2 2 2 0 1 4年第 3期 非稳态熔池的数学模型 模拟前将余高提前加上 将热 源前部的余高材料的热导率设成 0 粘度设成很大 来 模拟对焊缝 的提前杀死 在 焊接过程 中不 断激活 电弧 热源作用下的金属材料 的物性参数 采用 F L U E N T软 件对 C MT熔池进行 了计算 并对 U D F进行 了二次开 发 从而对熔池 中7 0 H z的脉 冲引起熔池流场与热场的 不断变化的情况进行模拟 1 数学模型及控制方程组 C N I T焊接涉及到电弧物理 传热 冶金和力学各个 方面 计算复杂 为了简化计算 在建模时假设 熔池 中的液态金属呈粘性 且 不可压缩 流动方式 为层 流 其流动和传热是轴对称 的 材料的物理性能参数除 了热导率 比热容 粘度等与温度有关 的之外 均不随 着温度 的变化而变化 忽略熔池表面变形 的影响和 熔池内部的化学反应 选择在工件 中间表 面进行单层堆焊 工件 的几何 形状和载荷均沿焊缝呈对称分布 所 以取模 型的一半 进行分析 施 加对称边界条件 在建模 的时候事 先加 上余高 在焊接时不断激 活电弧作用 区域 下的余 高的 物性参 数 工件 材料 为 S U S 3 0 4不锈钢 尺寸为 1 0 0 mm 4 0 mm X 2 mm 在一般性的三维 问题 中 瞬态温度场 与流场的分 布应满足能量守恒原理方程 表达式如下 J p k S 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 俘搭 计算机辅助焊接工程专题 一 砌 参考文献 H u g h e s D S U l t r a s o n i c v e l o c i t y i n a n e l a s t i c s o l i d J J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s 1 9 5 0 2 1 3 2 9 4 3 0 1 T a t s u o T o k u o k a Yu k i o 1 wa s h i mi z u Ac o u s t i c al b i r e f r i n g e n c e o f u l t r a s o n i c w a v e s i n d e f o r me d i s o t r o p i c e l a s t i c ma t e ri a l s J I n t e rna t i o n a l J o u r n a l o f S o l i d s S t r u c t u r e s 1 9 6 8 4 3 8 3 3 8 9 Fu ku o k a H To da H Ya ma ne T Ac o us t o e l a s t i c s t r e s s a n a l y s i s o f r e s i d u a l s t r e s s i n a p a t c h w e l d e d d i s k J E x p e r i me nt a l Me c ha n i c s 1 97 8 7 2 7 7 28 0 Ya b d all a h o u i H W ala s z e k P e y r a c C e t a 1 T h e u s e o f u l t r a s o n i c i n t h e o p t i m i z a t i o n o f w e l d i n g p r o c e s s e s J We l d i n g I n t e r n a t i o n a l 2 0 0 1 1 5 4 l 一1 2 Eg l e D M B r a y D E Me a s u r e me n t o f a c o u s t o e l a s t i c a n d t h i r d o r d e r e l a s t i c c o n s t a n t s f o r r a i l s t e e l J T h e J o u rua l o f t h e A c o u s t i c a l S o c i e t y o f A m e r i c a 1 9 7 6 6 0 3 7 4 1 7 4 4 Ma n C L u W Y To wa r d s a n a c o u s t o e l a s t i c t h e o r y for me a s u r e m e n t o f r e s i d u a l s t r e s s J J o u rna l o f E l a s t i c i t y 1 9 8 7 1 7 1 5 9 1 8 2 L u H L i u X S Ya n g J G Z h a n g S P e t a 1 Ul t r a s o n i c s t r e s s e v al u a t i o n o n w e l d e d p l a t e s w i t h L c r w a v e J s c i e n c e T e c h n o l o g y o f We l d i n g a n d J o i n i n g 2 0 0 8 1 3 1 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 7O一 7 5 路浩 张世平 刘雪松 等 2 2 1 9铝合金平板双丝焊 残余应力场应力梯度超 声波法建立 J 焊接学报 2 0 0 8 2 9 2 6 1 6 4 路浩 刘雪松 杨建国 等 低碳钢双丝焊平板横向残 余应力超声波法测量 J 焊接学报 2 0 0 8 2 9 5 3 0 3 2 路浩 刘雪松 杨建国 等 激光全息小孔法验证超声 波法残余应力无损测量 J 焊接学报 2 0 0 8 2 9 8 7 7 7 9 路浩 焊接残余应力超声波无损测量研究 D 哈尔 滨 哈尔滨工业大学博士学位论文 2 0 0 9 张洪武 张昭 陈金涛 不同过程参数对搅拌摩擦焊 接中材料流动以及残余应力分布的影响 J 机械工程 学报 2 0 0 6 4 2 7 1 0 3 1 0 8 张 昭 张洪武 搅拌摩擦焊接中材料变形及残余应力 分析 J 兵器材料科学与工程 2 0 0 6 2 9 3 6 1 6 6 苏晓莉 王快社 周俊杰 搅拌摩擦焊温度场检测 J 焊接技术 2 0 0 6 3 5 1 1 2一l 4 作者简介 路浩 1 9 8 1年出生 博士 高级工程师 现主要 从事高速列车焊接技术开发工作 发袁论文 2 0余 篇 获得和 申报 国家发 明专利 7项 上接第 2 6页 从图 4 c中可 以看 出 在 重力 的单独作用下 熔 池 内流体流速很小 最大流速为 1 4 8 4 x 1 0 m s 由此可见 C MT焊 接过程 中不考虑 表面张力情况 下熔池流场主要流体驱动力是电磁 力 使熔池在 深度 增大 而重力影响较小 3结 论 1 基于 F L U E N T软件 建立 了 C MT熔池 流场 的 计算模型 计算 了焊接电流为 9 0 A 电弧电压 为 1 1 0 V 送丝速度为 3 3 m s 焊接速度为 2 8 0 ra m ra i n参数 下的熔池流场演变过程 随焊接 过程的进行 流体从 热源中心向熔池周围扩散 流体流动区域增大 流场分 布范围扩大 流速也增大 当焊接过程 达到准稳态后 熔池形状和流场分 布情况 基本保持不 变 流速也基本 保持不变 整个 焊接过 程 中熔池 流体 的最大 流速为 0 0 69 m s 2 在 C MT脉冲作用 期间 熔池分布形状大致相 同 峰值 电流作用流场下熔池的最大流速为 0 0 5 5 m s 基值电流作用下熔池 的最大流速为 0 0 0 6 m s 3 0 2 0 1 4年第 3期 3 电磁力使熔池中流体 的具向下运动趋势 使熔 池深度增大 浮力在可 以增强熔池 中流体 向上运动趋 势 在熔池边缘 向下 流动形成环 流 熔池流场 主要流 体驱动力是电磁力 重力影响较小 参考文献 杨修荣 超薄板的C M T冷金属过渡技术 J 焊接 2 0 0 5 1 2 5 2 5 4 张满 李年莲 吕建强 等 C MT焊接技术的发展现状 J 焊接 2 0 1 0 1 2 2 5 2 7 张涛 武传松 穿孔等离子弧焊接热场和流场的数值模 拟 J 焊接学报 2 0 1 1 3 2 7 8 7 9 0 武传松 焊接热过程与熔池形态 M 北京 机械工业出 版社