等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟

1、第40卷 第10期 2007年10月天 津 大 学 学 报 Journal of Tianjin UniversityV ol.40 No.10 Oct. 2007收稿日期:2006-08-18;修回日期:2007-04-26. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275106.作者简介:李 力(1982 ,男,硕士,lili22102 .通讯作者:胡绳荪,huss.等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟李 力,胡绳荪,殷凤良,马 立(天津大学材料科学与工程学院,天津 300072摘 要:建立了运动等离子弧作用下焊接温度场的三维瞬态数值分析模型,以分析等离子弧焊熔池温度分布情况以及焊接电流、

2、焊接速度等焊接工艺参数对其影响情况.综合考虑了液态金属的对流传热和熔池外部的固体导热、材料热物理性能参数随温度的变化、焊件表面的散热以及熔化/凝固相变潜热等对熔池温度场的影响. 采用三维锥体热源对小孔型等离子弧焊接过程进行了流体动力学和传热分析,利用ANSYS 有限元软件求解所建立的模型, 得到了等离子弧焊接过程中温度场的变化情况.模拟结果表明,随焊接电流的增大和焊接速度的减小,熔池体积增加,熔宽和热影响区都增大.试验结果验证了所建立模型的正确性和数值求解方法的可靠性. 关键词:等离子弧焊;焊接熔池;温度场;三维数值模拟中图分类号:TG402 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(20

3、0710-1260-053-D Numerical Simulation of Temperature Field inMoltenpool of Plasma Arc WeldingLI Li,HU Sheng -sun,YIN Feng -liang,MA Li(School of Material Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, ChinaAbstract :A model of plasma arc welding (PAW with a moving arc was developed to s

4、tudy the temperature field andthe effects of welding current and welding speed,etc on it. Both convection heat transfer of the melted metal and heat conduction of solid metal were considered, regarding the solid metal as liquid with large viscosity. The variation of thermophysical parameters of mate

5、rial with temperature, the loss of heat, including convection and radiation, and the latent heat of phase transformation was also taken into account. Welding heat source was presumed to be 3-D conical heat source. The model was solved by the ANSYS software. The temperature distribution during the wh

6、ole welding process was obtained. The simulation results show that weld pool width and heat-affected zone increase with the increase of welding current and the decrease of welding speed. The reliability of the model is validated by experimental results.Keywords :plasma arc welding ;weld pool ;temper

7、ature field ;3-D numerical simulation等离子弧焊(plasma arc welding ,PAW 具有能量高度集中、电弧力强的特点,能直接穿透被焊工件,实现单面焊双面成形,焊缝深宽比大,焊接质量好,是主要的高能密度焊接方法之一. 近年来,随着等离子弧焊接在各工业等领域的广泛应用,其焊接过程的数值模拟已经成为一个重要的研究课题.在对等离子弧焊接熔池流场和热场的模拟方面,有关学者已经进行了一些相关研究. 国外对此方面的研究工作开展得相对较早,建立了一些数值分析模 型17.在国内,文献8针对固定电弧等离子弧焊接过程建立了二维稳态热传导模型,采用大型商业软件PHOE

8、NICS 对工件中的温度场以及电流密度的分布进行了计算. 文献9论述了小孔等离子弧焊熔池的2007年10月 李 力等:等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟 ·1261·形成机理,利用FORTRAN 语言编制程序对不锈钢板上接焊的穿孔熔池形成过程进行了计算机仿真. 文献10建立了PAW+TIG 电弧双面焊接时小孔形成的数值分析模型,并与焊接传热的控制方程耦合,采用有限差分法,定量分析了小孔形成的动态过程.文献11对铝合金等离子弧立焊穿孔熔池进行了计算机模拟,建立了运动等离子弧作用下立焊穿孔焊接熔池流场和温度场的三维瞬态数值分析模型,综合考虑了熔池中的传导、对流及辐射热过程,熔

9、池中流体的流动,以及熔池固液界面的熔化/凝固相变问题, 采用ANSYS 有限元软件对焊接温度场与流场进行计算.笔者采用ANSYS 有限元软件, 建立了运动等离子弧作用下焊接熔池温度场的三维瞬态数值分析模型,并对焊接工艺参数对等离子弧焊接温度场的影响进行了数值模拟分析.1 数学模型1.1 基本假设根据流体力学、流体动力学和传热学理论,建立熔池三维瞬态数值分析模型. 为简化计算,作出如下假设:焊接过程中,熔池和电弧都是关于焊接中心线对称的;熔池中的液态金属为黏性连续不可压缩层流状态;等离子弧的热流密度采用三维锥体热源;不考虑熔池金属的蒸发;熔池中流体的流动主要受浮力、电磁力、表面张力、重力和电弧等

10、离子流力 驱动.1.2 控制方程组在直角坐标系中,控制方程微分表达式如下所述.0u v w x y +=z (1 u u u u u v w tx y +=z222x pu u u F x xy µ+z (2v v v v u v w tx y +=z222222y pv v v F y xy µ+z (3 w w w w u v w tx y +=z 222222pw w w F xy µ+z z z (4p T T T T c u v w t x y +=z T T T H x x y y +z z (5 式中:x 、y 、z 为求解域某点的坐标,m ;u 、

11、v 、w 分别表示x 、y 、z 方向的流速分量,m/s ;为密度,kg/m 3;c p 为定压比热,J/(kg·K;为导热系数,W/(m·K;µ为黏度系数,kg/(m·s;H 为求解区域内热源的焓,J/m 3;T 为温度,K ;t 为时间,s ; F x 、F y 、F z 分别为体积力F 在x 、y 、z 方向上的分量,N .体积力F 包括电磁力项和浮力项,即g T =×F J B -式中:J 为电流矢量,A/m 2;B 为磁感应强度矢量,T ;为体积膨胀系数,1/K ;g 为重力加速度,m/s 2. 求解电磁力项需要麦克斯韦方程组 =0J

12、 =J ×=B J µ´式中:为电导率,S/m ;µ´为磁导率,H/m . 上述控制方程的求解区域为整个工件(仿真试件尺寸为80 mm×40 mm×4 mm ,包括液态熔池及其周围的固态金属. 计算过程中,将熔池外的固体看成是黏度很大的流体(例如将固体区黏度系数µ取为108,熔池边界上的速度赋为零,这样边界上为零的速度很快就传到熔池外的固体中. 通过固相和液相区速度数量级的差别可以确定熔池形成的区域. 1.3 初始条件以起弧时刻作为初始时刻,则有 0T T =, u = v= w = 0 (6式中T 0为环境温度,

13、K. 1.4 边界条件1.4.1 热流边界条件等离子弧焊的电弧力较强,会使熔池表面产生较大的变线,因此二维高斯热源或双椭球热源并不能十分准确地描述等离子电弧作用在工件上表面的热流密度分布. 可采用三维锥体热源进行计算.假定电弧作用于整个工件体积内,则有2c 02200exp(22T UI r h T T n r r = (7r = (8 e 0e e i e i(r r r r =z z z (9 式中: 为电弧功率有效系数;I 为焊接电流,A ;U 为电弧电压,V ;h c 为对流和辐射联合换热系数,W/·1262· 天 津 大 学 学 报 第40卷 第10期(m 2&#

14、183;K ; r 为工件上某点与焊接热源中心的距离;n 为表面法线方向距离;r 0为高斯参数;v x 为焊接速度,m/s ;x 0,y 0,e z ,i z 为热源位置参数;r e ,r i 为工件上下表面的热源分布参数,这些参数值需要根据经验及试验结果确定.其他无热输入表面内,有c 0(Th T T n= (10 工件对称面(y = 0为绝热边界条件,即 0Tn= (11 焊接熔池熔合面上温度为材料的熔点,即T = T m (12式中T m 为熔点,K. 1.4.2 动量边界条件工件上表面有= 0u T T x v T T y w µµ=z z (13 式中/T 为表面

15、张力温度系数,N/(m 2·K . 工件对称面上有00= 0u y wy v =(14 在其他表面、熔合面上及固体中,有u = v = w= 0 (15 1.4.3 电磁场边界条件在工件上表面定义电流密度分布 222c c exp 22Ir J r r =z式中I 为焊接电流,A ;r c 为电流有效半径,mm ;r 为径向距离,mm.假设焊接时电极接在工件的一个端面,可以在工件的这一个端面处定义零电势边界.磁感应强度垂直于工件对称面,在其他面上定义磁感应强度远场边界,即假定磁感应强度在无穷远处为零.2 模型求解采用ANSYS 有限元软件对所建立的熔池数值分析模型进行求解. ANSY

16、S 是一个功能十分强大的有限元软件,可以求解流场、电磁场等问题,并可以实现多个物理场间的耦合问题. 仿真条件如下:试件材料为1Cr18Ni9Ti 不锈钢,试件尺寸为80 mm×40 mm×4 mm (由于对称关系,模型宽度为实际焊接工件宽度的1/2;工艺条件为:等离子弧焊距喷嘴孔径2 mm ,离子气流量0.24 m 3/h ,保护气流量1.0 m 3/h ,焊接电流 150 A ,电弧电压30 V ,焊接速度5.5 mm/s. 采用APDL 参数化设计语言建立材料热物理性能参数库. 采用映射六面体进行网格划分,热源附近的网格划分较细,而在远离热源处则采用较粗的网格,整个模型

17、单元数为25 600,节点数为29 889. 实现移动载荷的思路为:在求解的时候确定每一时刻载荷的位置和大小,当载荷移动到下一个载荷步的时候,将上一个载荷步的载荷去掉,同时施加对应于本时刻的载荷,即把上一个载荷步的载荷覆盖掉.3 仿真结果及试验验证3.1 熔池温度场的仿真结果图1所示为焊接温度场的瞬态变化过程,其中左视图为工件上表面温度分布,右视图为截面温度分布. 由图可见,温度分布具有一定规律性:距离热源越近,温度越高,电弧正下方的温度达到最高;熔池纵截面(y = 0温度分布和熔池形状都是不对称的,温度分布出现后拖现象;温度场前沿等温线比较密集,而熔池尾部等温线比较稀疏. 这都是由热惯性导致

18、的. 除此以外,传热方式也有一定影响. 熔池内部液态金属以对流传热为主,在运动热源和各种力(尤其是等离子流力的作用下,液态金属快速流动,热量及时传到熔池尾部;而热源前方的固态金属主要以导热方式传热,温度梯度较大.3.2 焊接电流对温度场的影响焊接速度保持5.5 mm/s , 焊接电流分别取120 A 、150 A 和180 A ,其他条件不变,计算所得的熔宽依次为6.03 mm 、6.80 mm 、7.46 mm ,工件上表面温度分布分别如图2(a 、图2(c 和图2(d 所示. 可以看出,随着焊接电流的增加,熔池体积增加,熔宽和热影响区都增大,而且熔池后端比熔池前端体积增大更加明显. 这是由

19、于随着焊接电流的增大,热源输入功率增大,在焊接速度保持不变的情况下,焊接线能量显著增加, 从而导致熔化金属量的增加. 3.3 焊接速度对温度场的影响焊接电流保持为150 A , 焊接速度分别取4.52007年10月 李 力等:等离子弧焊接熔池温度场的三维数值模拟 ·1263· (a t=0.4 s (bt =1.4 s (c t=3.0 s (d t =7.0 s图1 焊接熔池温度分布瞬态变化过程(K Fig.1 Transient process of temperature Distribution of weld pool (Kmm/s 、5.5 mm/s 、6.5

20、mm/s ,其他条件不变,计算所得的熔宽依次为7.40 mm 、6.80 mm 、6.55 mm ,工件上表面温度分布分别如图2(b 、图2(c 、图2(e 所示.随着焊接速度的增加,熔池宽度和体积减小,热影响区也随之有一定程度地减小,等温线变得细长. 这是由于在热源输入功率不变的情况下,随着焊接速度的增大,焊接线能量显著减小,焊件金属熔化量减少,从而使熔宽变窄.(a I =120 A,v =5.5 mm/s (b I =150 A,v=4.5 mm/s(c I =150 A,v =5.5 mm/s (d I =180 A,v=5.5 mm/s(e I =150 A,v =6.5 mm/s图2

21、 不同焊接电流和焊接速度下的温度场分布(K Fig. 2 Temperature distribution with different weldingcurrents and welding speeds (K从以上焊接温度场随焊接电流、焊接速度的变化情况可以看出,等离子弧焊接方法对焊接线能量的变化比较敏感.3.4 工艺试验及模型验证焊接温度场直接决定了焊缝的几何尺寸,故采取测量焊缝几何尺寸与计算结果进行比较的方法来验证焊接温度场的仿真结果. 工艺试验时,试件尺寸为150 mm × 80 mm × 4 mm ,其他条件和第2节模型求解时所给出的条件相同. 焊缝尺寸的计算值

22、和试验值如表1所示,可以看出,两者基本吻合.表1 熔宽计算值与实测值的比较 Tab. 1 Comparison between calculated andexperimental weld pool width项 目 正面熔宽/mm背面熔宽/mm计算值 6.80 2.40 实测值6.451.844 结 论(1根据流体力学、流体动力学及传热学理论,综合考虑各种因素,建立了运动等离子弧作用下焊接·1264·天津大学学报第40卷 第10期熔池温度场的三维瞬态数值分析模型.(2利用ANSYS软件模拟了在移动热源作用下PAW焊接熔池温度场的动态变化过程,分析了焊接工艺参数对等离子弧

23、焊接温度场的影响,结果表明,等离子弧焊接方法对焊接线能量的变化比较敏感. 试验结果验证了所建立模型的可靠性.参考文献:1 Hsu Y F,Rubinsky B.Two-dimensional heat transferstudy on the keyhole plasma arc processJ.InternationalJournal of Heat and Mass Transfer, 1988,31(7:1409-1421.2 Keanini Russell G, Rubinsky Boris.Three-dimensionalsimulation of the plasma arc

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