脉冲TIG焊接熔池流场与热场动态过程的数值模拟

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1、Vol. 18 No. 4December1997第18卷第4期焊 接 学 报1997 年 12 月HANJIE XUEBAO脉冲T IG焊接熔池流场与热场动态过程的数值模拟郑炜武传松 吴林（哈尔滨工业大学）摘 要 对运动电弧作用下脉冲T IG焊接熔池流场与热场动态变化过程建立了三维数 学模型。同时，设计了一套适合该模型非稳态、 非线性、多相区和强耦合特点的数值模拟 算法。脉冲TIG焊接工艺试验结果表明计算值与测试值基本吻合。关键词：脉冲焊接熔池流场热场数值模拟0序 言近年来，人们逐渐认识到焊接熔池内液态金属的流动强烈地影响着焊缝的几何尺寸及接头的组织和性能。由于实际焊接条件的限制，通过试验手

2、段观测熔池内的流体流动状态是相当困难的。因此,用数值模拟技术对熔池流体流动和传热过程进行定量研究已成为焊接学科的前沿领域，并取得了很大进展13。但这些研究工作都是针对恒定电流连续焊接过程的。对于脉冲TIG焊接熔池流场和热场的数值分析，尚未见报道。脉冲 TIG焊接是生产中广泛应用的工艺方法，其主要特点是易于控制对母材的热输入和焊缝成形，并改善结晶组织，从而得到高质量的焊缝4。由于焊接电流的周期性变化，焊接工艺参数增加，脉冲焊接熔池行为及热循环更加复杂，焊接规范参数之间的合理匹配问题更加突出。利用数值模拟技术对这种工艺过程进行深入的基础性研究，对于了解焊缝成形的实质、优化脉冲焊接工艺参数、控制热影

3、响区组织与性能，具有重要的理论意义和实 用价值。本文介绍脉冲 TIG焊接熔池流场与热场动态变化过程的数值分析模型。1 模型的建立脉冲TIG焊接时，熔池的体积及其流场和热场随脉冲电流作周期性变化。峰值电流I p作用期间，工件温度升高，熔池长大；基值电流I b作用期间，工件温度降低,熔池凝固，如此循环往复。 动坐标系下的控制方程为ttT=(K T)(1)h+()=L2F b-p +X=0(3)式中 为试件材料的密度，S为定压比热容，T为温度，t为时间，为流速矢量，K为导热系数 Fb为体积力，P为压力，为流体的动力粘度。由于电流的脉冲作用，凡是与焊接电流有关的量武传松现在山东工业大学工作。4期脉冲T

4、IG焊接熔池流场与热场动态过程的数值模拟229r八A-r / T按sahoo半经验公式计算5：_.K segasH sR sln ( 1 + K segas)-T ( 1 + K segas),as是合金中硫的活度，H 是偏析焓,K seg是偏析平衡常(4)(5)如电弧输入到工件表面的热流、熔池中的体积力等，均随电流的周期性变化而变化。 为提高精度，表面张力温度系数式中,A是常数，s是表面过饱和参数 数。熔池表面蒸发散热的热流qevp为:qevp= Whfg式中hfg是蒸发潜热,W 是蒸发率。W由下式确定：log W = A + logP atm- 0. 5logT(6)式中A是常数，Patm

5、是蒸汽压。采用显热容法处理相变潜热。固液两相区内的定压比热容C* (T)和导热系数 K* (T)的表达式为(7)(8),下标I和s分别表示液相* ( C1+ Cs)C (T)=f+飞-* K1- KsK (T)= Ks+ T7Z(T- Ts)式中 为熔化/凝固相变潜热，C和K分别表示定压比热容和导热系数 和固相。具体计算过程和参数选取方法见文献6。2求解技术在本文模型中，动量方程和能量方程通过源项及边界条件而互相强烈耦合。本文把处理导热问题边界条件的附加源项法推广应用于处理动量方程边界条件，并用附加源项法处理全部边界条件,使得到的离散方程既能正确反映边界条件的影响，而又不包含未知的边界值,加快

6、了迭代收敛速度。在处理流场中速度与压力的耦合问题时，采用了 SIM PLEC算法，其收敛特性优于通常采用的SIM PLE和SIMPLER算法7。离散方程迭代求解时，采用了 ADI(交替方向隐式)线迭代法与 块修正技术相结合的方法。对于每一个时间步长上结束迭代求解的判据，采用变化率判据(判断热场收敛)和余量判据(判断流场收敛)。在熔化区内采用较细的均匀网格，熔化区外采用扩张的非均匀网格。采用FORTRAN77编程，在H P9000计算机工作站上运算。3计算结果利用上述模型和算法，对1Cr18Ni9Ti不锈钢试件脉冲TIG焊接时的熔池流场与热场进行了数值计算。图1所示为工件上表面某些点在焊接过程中

7、所经历的热循环。图中三条曲线分别表示距焊缝 中心线0. 45mm 3. 35mm和5. 25mm的点。图中实线对应脉冲TIG焊接(焊接规范参数为：峰值电流I p= 170A,基值电流lb=35A,峰值电流作用时间tp= 1.0s,基值电流作用时间tb= 1.0s,电弧电压U= 13V,焊接速度 vo= 1. 6mm/s;工件尺寸为100mm 50mm 4mm）,虚线对应恒流 TIG 焊接（焊接电流1= 102. 5A, U= 13V, vo= 1. 6mm/s）。在脉冲焊接时,由于电流的脉冲作用,接头 各点都经历了两、三次加热和冷却的作用，高温停留时间比恒流焊接时缩短，这就是脉冲焊接接头 晶粒

8、得到细化的原因之一。另外从图中可以看到，在电弧运动过程中，只有离被考察点最近的两、三个脉冲对该点的脉冲作用较明显，而远处脉冲的影响迅速减弱，并且随着焊缝中心线距离的增大,脉冲对其影响也迅速减弱。图2是熔深及熔宽随焊接时间的变化过程。两者均随焊接电流作周期性变化。引弧四、五个脉冲周期后热场达到宏观准稳态，熔深及熔宽在每脉冲周期内增加或减小的幅度基本不变。l llKr f.,）图1工件表面上的点所经历的热循环Fig. 1 Thermal cycle of points on workpiece surf aceWu.rJ:l：,J4 h$J(112Trine图2 熔深和熔宽随焊接时间的变化Fig.

9、 2 Weld depth and width vs. welding time4期脉冲TIG焊接熔池流场与热场动态过程的数值模拟#4期脉冲TIG焊接熔池流场与热场动态过程的数值模拟#图3为熔池流场示意图（横截面）。图3a对应脉冲峰值作用结束时刻，图3b对应脉冲基值作用结束时刻（焊接规范为:I p= 170A, I b= 25A, t p= 0.5s, tb= 0.5s, U= 13V, vo= 2. 4mm/ s;工件尺 寸为120mm 60mm 3mm）。图中的两条曲线分别表示固相线和液相线，箭头表示了熔池中流体流动的方向。早在 80年代初人们就已认识到当焊接电流低于150A时熔池内流体流

10、动主要受表面张力梯度（M arangoni力）驱动8。对1Cr18Ni9Ti不锈钢，由式（4）可知表面张力温 度系数r/ T是温度的函数。当温度较高时，r/ T 0,这时Mara ngo ni力驱使流体向温度升高的方向流动。(a) at the moment of I p changing toI b(b) at the m ome nt of I b cha nging to Ip4 .d1 l!JLt( vLLw4Ujc-wj.(l2.0二1 .!：I：. ：i . :i7 H.u u l.n:.o1 1:.- ：，一 1川 1 |) 3.D I-57) -5.0 - 1.0 I川.4-2

11、012 Chirui AcademicElctranic Publishing HdusCj All righLs. reserved.当温度较低时，r/ T 0, Marangoni力驱使流体向温度降低的方向流动。在基值电流作用 结束时刻,熔池中温度较低,熔池表面的流体在Marangoni力的驱动下由熔池边缘向中心流动,在熔池中心线附近向下流动。在峰值电流作用结束时刻，除熔池边缘的一少部分面积外，熔池表面温度较高，熔池表面的流体在 M arangoni力驱动下，由熔池中心向外径向流动；而熔池边缘处温度较低，流体径向向内流动，这时的流场是两种方向的流动综合作用的结果。4试验验证为了验证本 文模

12、型,建立了一套以计算机视觉正面检测为基础的试验检测系统,并对 1Cr18Ni9Ti不锈钢试件进行了平板堆焊工艺试验。试验系统由IBM - PC386控制，并通过8031单片机系统对焊接电流、速度、脉冲频率等规范参数进行控制，使得整个系统的精度高、再现性好。 试验用电极为钍钨极，电极直径3.0mm,氩气流量为10L/ min,焊接规范采用计算模型中的规范参 数。脉冲TIG焊接过程中，熔池尺寸是随焊接时间变化的，为了反映这个动态变化过程，本文以工业摄象机为传感器，摄取熔池区图象，然后对所获得的图象进行处理并检测熔池宽度。根据脉冲 TIG焊接的特点，在脉 冲基值期间，利用弧光对熔池区的照射，获取熔池

13、区图象，对所获取的图象采用FIR线形数字滤波、中间滤波以及Laplace图象边缘增强等方法进行图象处理，并利用差分原 理提取焊缝及熔池宽度信息。图4所示为试验测量值与图2中达到宏观准稳态后的熔宽计算值的比较,可见试验值与计算值吻合良好。采用NiCr- NiSi型热电偶测量工件上表面热影响区某点的温度，图5是工件上表面距焊缝中心线5. 25mm处某点热循环曲线的实测值与计算值。丁irw： :；图4熔池宽度计算值与测试值的比较Fig. 4 Comparison between predicted and experimentalweld pool width4：IHSi 10Mi卄(I1234Th

14、rl(4-2012 China Academic Journal Electronic Publishing HvusCj All righLj；. reserved. hilp?AvwvLink4期脉冲TIG焊接熔池流场与热场动态过程的数值模拟2315结 论(1) 建立了运动电弧作用下脉冲TIG焊接熔池流场与热场动态过程的数值分析模型。该模型综合考虑了在电弧热流的周期性作用下熔池流场温度场熔池形状所发生的周期性变化、熔池表面的蒸发散热、熔池固液界面的相变潜热以及表面张力温度系数随温度的变化情况。(2) 建立了一套适合本模型的数值模拟算法。采用附加源项法处理全部能量边界条件及动量边界条件；采用

15、显热容法处理相变潜热；采用了收敛特性较优的SIM PLC算法；迭代求解差分方程时采用了 ADI线迭代与块修正技术相结合的方法。这套算法较大地提高了迭代收敛速度。(3) 计算结果展示了脉冲TIG焊接过程中，熔池流场、温度场及熔池形状随着焊接电流的变化而发生周期性变化的规律。(4) 计算机视觉焊缝正面检测试验结果表明：本文提出的数值模拟方法能够在一定程度上反映 实际焊接过程的特点。(1997- 03- 06收到初稿，1997- 08- 08收到修改稿)参考文献1 Oreper G M and SzekelyJ. A comprehensiverepresentation of tr ansient

16、 we1ldpool development in spot welding opera tions. Metall Trans. A , 1987,18A( 6): 1325 13332 Zacharia T. Effect of evaporation and temperature- dependent material properties on weld pool development, M etallT rans, 1991,22B( 4): 233 2413 David SA. Weld pool phenomena. II W. Doc.212- 829- 1993, 1 2

17、94 殷树言.气体保护焊工艺.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989, 181 1905 SahooP. Surfacetension on binary metal surfaceactive solute systemsunder condition relevantto welding metallurgy,M etall Trans. B, 1988,19B: 483 4916郑炜.哈尔滨工业大学工学博士论文，1996.7 陶文铨.数值传热学.西安：西安交通大学出版社,1988, 88 988 Heiple C R. and Roper J R. Mechanismfor minor

18、ellement effect on GT A fusion zone geometry, Weld J. 1982, 61(4): 97s 102sNumerical simulation for Transient Behavior of Fluid Flow and HeatTransfer in Pulsed Current TIG Weld PoolZheng Wei, Wu Chuansong, Wu lin(H arb in In stitute cf Tech no logy)Abstract A three- dimensional numerical analysis mo

19、del of fluid flow and heat transfer in pulsed cu- rent T IG weld pool is developed.According to the characteristics of transient, nonlinear, multiphase and strong coupling features bedtween the governing equations, a numerical simulatiou algorichm method is developed, which can evide ntly speedup th

20、e iterative con verge nee rate. The results o f nu merical simulatio n dem on strate the tran sie nt behavior of fluid flow field, temperature field and weld pool shape in pulsed curre nt T IG weldi ng process on the workpiece of 1Cr18Ni9Ti sta ini ess steel. The bead -on- plate pulsed current TIG welding experim ents show that the predicted results by the model introduced in this paper are in good agreement with the experim ental ones.Key words pulsed current T IG welding, fluid flow, heat transfer, numerical simulationj-j f. i? .,jk