考慮金屬蒸汽及氧元素分布的TIG焊三維數(shù)值分析.pdf

1、電弧輔助活性TIG焊（Arc assisted Activating TIG welding,即AA-TIG）是一種新型高效活性焊接方法。AA-TIG焊分為兩種：一種是分離電弧AA-TIG焊，一種是耦合電弧AA-TIG焊。分離電弧AA-TIG焊是采用輔助電弧預(yù)焊焊道表面，使得焊道表面形成一層活性氧化層，之后再進(jìn)行TIG焊接，這樣能有效的增加焊縫熔深。耦合電弧AA-TIG焊是采用在輔助電弧中增加一定的活性組元來增加焊縫熔深。這些方法最大的

2、特點(diǎn)就是：一是活性元素的引入更加方便，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接；一是引入的活性元素為氧氣或者二氧化碳，這本身就是空氣中成分，不會(huì)對(duì)大氣造成污染更加的綠色環(huán)保。作者課題組對(duì)AA-TIG焊進(jìn)行了較多的初步焊接工藝試驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)研究很難給出全面的結(jié)論。除此之外，大量的焊接工藝實(shí)驗(yàn)將消耗大量的焊接工作時(shí)間和焊接材料，實(shí)驗(yàn)成本高。在熔池表面不均勻分布的活性元素對(duì)熔池上表面流場的影響以及電弧與熔池之間的耦合作用方面，試驗(yàn)研究具有一定的局限性。
　

3、　本文針對(duì)AA-TIG焊接方法，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值分析方法，對(duì)電弧、熔池、它們之間的耦合行為以及各自的傳輸行為進(jìn)行研究。建立數(shù)學(xué)模型考慮金屬蒸汽對(duì)TIG焊及活性TIG焊的影響。
　　建立了包括鎢極、電弧和母材的電弧-熔池統(tǒng)一模型，研究了TIG焊電弧與熔池的交互作用及其各自的傳輸行為。模型中還考慮了來自熔池上表面的金屬蒸汽對(duì)電弧和熔池的影響。結(jié)果表明，金屬蒸汽主要分布在熔池上表面附近，金屬蒸汽沿徑向擴(kuò)展。金屬蒸汽存在時(shí)，電

4、弧等溫線出現(xiàn)收縮，這種收縮并沒有使電弧最高溫度升高。同時(shí)，電弧軸向速度略有減小，電勢略有增大。熔池蒸發(fā)的金屬蒸汽在向電弧擴(kuò)散的過程中改變了原純Ar弧等離子體的熱物理性質(zhì)，從而導(dǎo)致了電弧等離子體行為的改變。在混合等離子體作用下，電流密度在陽極上表面中心區(qū)域增加，邊緣區(qū)域減小。熔池上表面的剪切力使得熔池形成向外的流動(dòng)。金屬蒸汽對(duì)熔池上表面速度分布和剪切力分布并無明顯影響。與溫度相關(guān)的表面張力函數(shù)對(duì)熔池行為的影響明顯，而金屬蒸汽的影響較小。<

5、br>　　建立了不考慮金屬蒸汽的活性TIG焊和考慮金屬蒸汽的活性TIG焊數(shù)學(xué)模型，模擬研究活性焊的特點(diǎn)及金屬蒸汽的分布情況。研究結(jié)果表明，活性TIG焊比TIG焊的熔池熔深更深，且活性TIG焊下的熔池上表面溫度比傳統(tǒng)TIG焊的高300K左右?？紤]金屬蒸汽的活性TIG焊中的金屬蒸汽濃度有所增加，從而造成考慮金屬蒸汽的活性TIG焊的電弧溫度線比考慮金屬蒸汽的TIG焊的溫度線收縮更大。在電弧溫度線的收縮強(qiáng)度上由弱到強(qiáng)的順序是：不考慮金屬蒸汽的T

6、IG焊——考慮金屬蒸汽的TIG焊——考慮金屬蒸汽的活性TIG焊。
　　建立了氧元素不均勻分布下的分離電弧AA-TIG焊熔池三維數(shù)學(xué)模型，模擬研究了活性元素氧對(duì)分離電弧AA-TIG焊熔池傳輸行為的影響。考慮了活性元素氧在液態(tài)熔池表面實(shí)際的不均勻分布狀態(tài)，涉及到的表面張力是表面張力溫度梯度和表面張力濃度梯度共同作用的函數(shù)。結(jié)果表明，可以使用FLUENT RNG k-ε湍流模型對(duì)AA-TIG焊熔池模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。其中，將表面張力作為表

7、面張力溫度梯度和表面張力濃度梯度共同作用的函數(shù)編入程序能夠較為合理的運(yùn)行，得到了熔池上表面的復(fù)雜流動(dòng)及熔池的溫度場和速度場。當(dāng)氧在熔池上表面呈非均勻分布，并且氧的不均勻分布模型為Ar-3.4％O2情況時(shí)，熔池內(nèi)部仍然以內(nèi)對(duì)流流動(dòng)為主，熔深較深，熔池上表面的流動(dòng)方式復(fù)雜。隨著熔池上表面不均勻分布氧含量整體增加時(shí)，熔池上表面的流動(dòng)狀態(tài)由復(fù)雜的渦流流動(dòng)變成了單一的向中心流動(dòng)，熔深有所增加。活性元素氧的含量及不均勻分布狀態(tài)直接影響了熔池的傳輸行