焊接熔池的流體動力學行為及凝固組織模擬.pdf

1、應用流體動力學基本方程和多孔介質流方程,建立了移動熱源作用下的TIG焊接熔化和凝固過程的單相統(tǒng)一控制方程組,給出了能量和動量邊界條件.通過編制用戶程序,以軟件PHOENICS3.3作為求解器,分析了熔池中驅動力—浮力、電磁力、表面張力單獨及聯合作用下的流體動力學行為,并模擬了奧氏體不銹鋼、鋁合金和超細晶粒鋼在不同焊接參數下的溫度場和速度場;研究了A-TIG焊接熔池中的表面活性元素氧含量和硫含量對流體流動方式的影響;并以模擬的TIG焊接溫

2、度場為基礎,運用GBE模型,模擬了不銹鋼和鋁合金材料的焊縫中晶粒的生長.數值模擬結果與實驗結果良好吻合.A-TIG焊中,熔池中的表面活性元素氧和硫顯著地影響了熔池中的流體流動方式,活性元素含量的增加和熔池表面溫度的降低有利于擴大自由表面上正表面張力溫度系數所占的區(qū)域.當活性元素含量高于某一臨界值時,正表面張力溫度系數完全控制著熔池中的流體流動方式;當活性元素含量低于這個臨界值,正、負系數在熔池中同時作用,流體流動方式由二者強弱決定.焊接

3、參數不同,活性元素含量的臨界值不同.在正、負表面張力溫度系數變化處即最大表面張力處附近,等溫線密集,溫度梯度最大,而熔池中部的溫度梯度最小.隨著活性元素含量的增加,熔池深寬比迅速增大,然后趨于一定值,并且在熔池中會出現數目,大小,方向,位置不同的渦流.當熔池中正表面張力溫度系數占優(yōu)勢時,熔池中的流體由熔池邊緣流向中心,這種流動方式能有效地把電弧能帶到熔池底部,從而使熔深大幅度增加.熔池中的表面張力溫度系數由負變?yōu)檎龝r,流體流動方式的變化

4、,使得熔池后部沿熔深方向上的金屬液體由熔池底部流向熔池表面,這種流動方式對降低焊縫中氣孔、夾雜物的形成傾向極為有利.焊縫中的晶粒生長形態(tài)與熔池的形狀有關.運用GBE模型,以模擬得到的液相線作為晶粒生長的起始位置,根據晶粒的四種生長方式,通過疊加不同時刻的晶界位置,模擬了奧氏體不銹鋼,鋁合金焊縫中的柱狀晶的動態(tài)生長,并用試驗驗證了模擬結果.晶粒的生長形態(tài)受熔池長寬比的影響,而熔池長寬比是焊接熱輸入、焊接速度和熱導率的函數.長寬比越小,熔池