第３ ｌ卷第３期 ２ ０ １ ４年６月 ， ＋ ＋‘。＋ 。＋‘‘、 沈阳航空航天大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ＿ｏ１．３ｌ ＮＯ．３ Ｊｕ１．２ ０ １ ４ ｛材料工程｝ …－文章编号：２０９５—１２４８（２０１４）０３—００４５—０４ ＋－＋ ＋．．＋， ２Ａ１６铝合金ＴＩＧ焊熔池模拟 莫春立，耿晓玮，周相海，丛榕 （沈阳航空航天大学材料科学与工程学院，沈阳１ １０１３６） 摘要：通过ＦＬＵＥＮＴ软件进行二次开发，针对２Ａ１６铝合金ＴＩＧ焊接过程，建立移动焊接熔池模 型，考虑了表面张力、浮力、电磁力等对熔池流动的影响，模拟分析不同焊接电流条件下，熔池温度 场和流场变化情况，以及熔池形貌变化。模拟结果直观显示焊接熔池形貌、温度场、流场分布状 况，熔池流场分为两部分，在熔池表层，金属液由中间流向边缘，熔池底部金属液有边缘流向中间， 熔池焊接进行一段时间后达到准稳态，温度场关于焊缝近似对称分布，焊接熔池内部传热方式以 对流传热为主，随焊接电流的增加，熔深增加，熔宽略有增加。 关键词：ＦＬＵＥＮＴ；焊接熔池；流场；热场；熔池形貌 中图分类号：ＴＧ４０ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．２０９５—１２４８．２０１４．０３．００９ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＴＩＧ ｍｅｌｔ ｐｏｏｌ ｏｆ ２Ａ１６ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ＭＯ Ｃｈｕｎ—ｌｉ，ＧＥＮＧ Ｘｉａｏ—ｗｅｉ，ＺＨＯＵ Ｘｉａｎｇ—ｈａｉ，ＣＯＮＧ Ｒｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ，１ １０１３６） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＦＬＵＥＮＴ．ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｕｉｌｄｓ ａ ｍｏｖｉｎｇ ＴＩＧ ｗｅｌｄ ｐｏｏｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ２Ａ１６ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｏｒｃｅｓ，ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｂｕｏｙａｎｃｙ．Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄｓ，ｆｌｏｗ－ ｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈａｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｐｏｏ１ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｗｅｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｗｏ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｐｏｏ１．ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｆｌｏｗｓ ｆｒｏｍ ｈｅ ｉｎｔｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｔｏ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ａｎｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ．Ａｆｔｅｒ ａ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｔｉｍｅ．ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｇｅｔｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｑｕａｓｉ ｓｔｅａｄｙ ｓｔａｔｅ ｗｉｔｈ ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃ— ｔｉｒｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｓｔｙｌｅ ｏｆ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ， ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ。ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｗｉｄｔｈ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｓｌｉｇｈｔｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＬＵＥＮＴ；ｗｅｌｄ ｐｏｏｌ；ｆｌｏｗｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｗｅｌｄ ｓｈａｐｅ 焊接熔池的传热和流体流动计算机模拟是焊 接模拟领域的一个重要领域，同时也是焊接冶金 后一些学者分别用不同的方法建立了接近实际电 模拟中最为复杂的方向之一。美国麻省理工学院 的ＯＲＥＰＥＲ Ｃ．Ｍ．首次对熔池中流体在表面张力 梯度、电磁力和浮力共同作用下所产生的流动及 弧作用下焊接熔池流动和传热的数学模型。 ＫＯＵ＿２ 教授假设熔池表面不变形建立三维和二 维ＴＩＧ焊熔池流动传热模型。Ｚａｃｈａｒｉａ Ｌ４ ３ 等 进行了三维电弧焊过程的非稳态数值模拟，考虑 了熔池中电磁力、浮力、表面张力，并将自由表面 传热过程建立了数学模型＿ｌ Ｊ，从此熔池中流体流 动及传热过程的数值模拟受到普遍的关注。最早 人们建立了固定容器内流体流动的数学模型，以 收稿日期：２０１４—０３—３１ 视为可变形表面，研究了熔池中的流体流动和传 热。国内首先考虑流体流动是武传松 ，其首先 作者简介：莫春立（１９７１一），男，辽宁葫芦岛人，副教授，主要研究方向：焊接工艺及设备，Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｏｎｔｅｃａｒ２４＠ｈｏｔｍａｉｌ，ｔｏｍ。 沈阳航空航天大学学报 第３ｌ卷 建立了三维ＴＩＧ焊流体流动及传热模型，同时考 虑了熔池内部液态金属对流的影响扩展了固定的 二维熔池模型。武传松、曹振宁 建立了熔透情 况下三维运动ＴＩＧ焊熔池中流体流动及传热模 型，在模型中考虑了熔池表面的自由变形，使焊接 模型更接近于实际。随后武传松、郑炜 儿 等建 立脉冲ＴＩＧ焊模型，首次分析脉冲电流对ＴＩＧ焊 熔池流场热场及熔池形状的影响。卢凤桂 。。董 文超、陆善平 ｌ＿Ⅲ】 等建立了定点ＴＩＧ焊接电弧 与熔池交互耦合数值模拟模型，模拟更符合实际 焊接工艺过程。 熔池形貌演变与熔池流场和温度场变化密切 相关，焊接过程中熔池反应剧烈难以观察熔池流 场和温度场变化，数值模拟为研究熔池形貌的变 化提供了一个有效的途径。本文通过ＦＬＵＥＮＴ 平台，进行二次开发添加边界和源项条件，建立了 ２Ａ１６铝合金ＴＩＧ焊接熔池模型，在保持焊接电压 （Ｕ＝１５ Ｖ）、速度（Ｖ＝０．００２ ｍ／ｓ）不变的情况下， 改变电流（，＝２８０Ａ／３００Ａ／３２０Ａ）分析了移动ＴＩＧ 焊过程中，电流变化对焊接熔池流场、温度场以及 熔池形貌的影响，为焊接工艺参数优化提供基础。 １ 数学模型 １．１模型假设 为了便于计算，本文采用如下基本假设： （１）三维熔池模型内液态金属为层流、不可 压缩的牛顿流体； （２）焊件为２Ａ１６铝合金，除热导率和粘度 外，其余热物理常数与温度无关； （３）焊接熔池表面自由平面，变形忽略不计； （４）采用体热源模型。 图１焊接过程示意图 １．２控制方程 直角坐标系下三维瞬态熔池流体流动及传热 方程描述如下¨。－１５］： 质量守恒方程： ＋ ＋ ＋ｏ（ｐｗ）一０ ｘ，ｙ，ｚ方向动量守恒方程： ｆ 一 ＋曼（ ＋ ＋ Ｏｘ Ｏｘ ｄ Ｏｙ ＝ （ 罢）＋ （ 考）＋丧（ 蓑）一警＋ Ｓｘ ｆ 一 ＋鱼（色 ＋ ＋ ｄｘ ｄｘ ｄｘ Ｏｙ ＝ （ ）＋ （ ）＋毫（ｔｘ蓑）一嚣＋ ｒ塑 一—Ｏ（ｐｕ—ｏｗ））＋鱼 ＋ａ（ｐｕｗ）．＋ Ｏｘ ｄ ａｘ Ｏｙ ＝去 ＯＷ）＋ ）＋丧（ ）一蓑＋ 能量守恒方程： （ 一Ｏ（ｐｕｏＨ））、＋ａ（ｐＨｖ）＋ａ（ｐｖＨ）一十 ａｘ吐ｘ ａｘ ａｖ ａｚ ａａ ［＼ ｋ ＯａＴ ）』 ＋毒（ａｙ＼ ａａＴｙ ）Ｊ＋ 。Ｏ（ｋ ａＴ ＳＪ 其中Ｐ，Ｋ， 分别为焊接材料的密度、热导 率、粘度，热导率和粘度为温度的函数；Ｕ，ｖ，Ｗ分 别为熔池内液态金属流动速度ｘ，ｙ，ｚ方向分量； 为热源移动速度；ｔ焊接时间； ， ， 别为动 量守恒方程中ｘ，ｙ，ｚ方向的源项； 为能量守恒 方程的源项；Ｐ是压力；日是混合焓。 １．３初始条件和边界条件 （１）初始条件 工件的初始温度等于环境温度 ，熔池中液 态金属的初始速度为零，即Ｕ＝０，１，＝０，Ｗ＝０。 （２）热边界条件 焊件表面主要以对流换热损失热量ｑｃｏ．ｖ和热 辐射损失热量ｑ叫为主，其中对流换热和热辐射 损失热量表达式如下 ］［１５］： ｑ ＝ｈ （ 一Ｔａ） ｇ ＝Ｏ＇ＳＢｄ￣（ 一 ） 式中，ｈ 焊件表面的换热系数， 为环境温 度， 阳为玻尔兹曼常量，占为发射率。 （３）动量边界条件 在熔池上表面，由于存在温度梯度而产生的 表面张力梯度与流体剪切力相平衡，有动量边界 条件为： ｄ ａ丁 ．． 一ｚ一 ａｘ
