考慮自由表面下的A-TIG與TIG焊的糊狀區(qū)演化分析

李慧

摘要：鎢極氬弧焊不僅可以焊接多種金屬而且焊縫性能好，但是它不能對(duì)中厚板進(jìn)行焊接。而A-TIG焊就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，進(jìn)行中厚板的焊接。本文針對(duì)SUS304不銹鋼建立三維TIG及A-TIG焊接熔池模型，通過對(duì)糊狀區(qū)的演化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩者在冷卻過程中，TIG焊凝固是從內(nèi)向外凝固，而A-TIG焊則是由邊緣向中心凝固。

關(guān)鍵詞：焊接;自由表面;糊狀區(qū)

隨著科技的發(fā)展，金屬材料的種類越來越多，傳統(tǒng)的黑色金屬已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)生活的日常要求，越來越多的有色金屬和不銹鋼進(jìn)入我們的社會(huì)生產(chǎn)中。金屬需要進(jìn)行有效的結(jié)合，才能被人們所應(yīng)用，而焊接就是連接金屬的有效方法。而在眾多的焊接方法中，鎢極氬弧焊（Tungsten Inert GasTIG）的出現(xiàn)，使人們可以對(duì)不同金屬或異種金屬進(jìn)行焊接，并且鎢極氬弧焊的焊縫成型性好并具有優(yōu)良的力學(xué)性能，所以，一直被廣泛的學(xué)者關(guān)注。

TIG焊焊縫的性能雖然優(yōu)越，但是TIG焊一般用于焊接薄板和打底焊，無法在中厚板中使用。而ATIG焊就是在TIG焊的基礎(chǔ)上，進(jìn)行活性元素的導(dǎo)入，使其增加成倍熔深的一種方法。ATIG焊是一種高效焊接方法，它是在焊接過程中引入適量的活性元素，再活性元素改變焊接電弧和焊接熔池的行為?；钚栽馗鶕?jù)不同的機(jī)理對(duì)電弧和熔池進(jìn)行作用，最終使熔深成倍的增加，明顯的提高焊接效率。

當(dāng)活性TIG焊應(yīng)用到不銹鋼中時(shí)，認(rèn)為熔深的增加是基于活性元素的引入，使熔池中的液態(tài)金屬所具有的負(fù)的表面張力溫度系數(shù)改變成正的表面張力溫度系數(shù)，熔池流動(dòng)方向發(fā)生改變，并對(duì)熔池起到挖掘的作用，從而成倍的增加熔深。在20世紀(jì)末期S.Kou[1-2]等人針對(duì)TIG焊建立了最早的三維熔池準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，研究熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的流動(dòng)行為。趙朋成[3-4]等人建立了三維GTAW全熔透熔池的移動(dòng)模型，并綜合考慮了全熔透熔池的上下表面的變化，并對(duì)它們的微量變化進(jìn)行了整體的研究，并得出上下表面的熔池中液態(tài)金屬的變化規(guī)律。本文利用VOF的方法去追蹤自由界面的表面變形行為，并分別對(duì)TIG與ATIG焊縫中的糊狀區(qū)的演化進(jìn)行研究，掌握它們之間的變化規(guī)律，對(duì)冷卻條件下控制熔池的流動(dòng)研究進(jìn)行鋪墊。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1基本假設(shè)

熔池?cái)?shù)學(xué)模型的基本假設(shè)如下：（1）熔池中的高溫金屬流動(dòng)為層流、不可壓縮的Newton流體;（2）采用半橢球體體積熱源分布，高斯分布的電流密度; （3）Boussinesq假設(shè)成立; （4）除表面張力、熱導(dǎo)率和粘度外，其余熱物理常數(shù)與溫度無關(guān)。

1.2控制方程

根據(jù)1.1的基本假設(shè)，在笛卡爾坐標(biāo)系下建立三維熔池模型，得到下列質(zhì)量連續(xù)性方程、動(dòng)量和能量方程的控制方程：

式中u，v，w分別代表x，y，z方向上的速度;p為金屬的密度;“為液態(tài)金屬的動(dòng)力粘度系數(shù);C。為定壓比熱容;λ為導(dǎo)熱系數(shù);P為流體內(nèi)部的壓力;T為溫度;Sx，S，S7分別表示x，y，z三個(gè)方向上的動(dòng)量源項(xiàng);ST為能量方程的源項(xiàng)。

1.3自由表面追蹤

熔池自由表面的形態(tài)變化是VOF算法進(jìn)行跟蹤，該方法引入了流體體積分?jǐn)?shù)F（x，y，z），該參數(shù)表面單位體積內(nèi)流體所占的比例大小，方程如下：

在計(jì)算單元網(wǎng)格取平均值，即為該單元內(nèi)流體金屬所在的體積分量。當(dāng)F（x，y，z）-1時(shí)，代表整個(gè)單元格均是液榀當(dāng)F（x，y，z）-0時(shí)，代表整個(gè)單元網(wǎng)格內(nèi)全是氣相;當(dāng)O

2 計(jì)算材料及區(qū)域

本文所使用的材料為SUS304不銹鋼，計(jì)算區(qū)域?yàn)?6mm×20mm×lOmm，其中氣相計(jì)算域尺寸為16mm×20mm×2mm，金屬相計(jì)算域尺寸為16mm×20mm×8mm。由于整個(gè)區(qū)域關(guān)于XZ面和YZ面對(duì)稱，所以為了減少計(jì)算量加快計(jì)算速度，所以只計(jì)算四分之一的區(qū)域。因?yàn)榭紤]自由表面的微量變形，所以在氣相與金屬相之間的界面加密網(wǎng)格。計(jì)算中的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為10-5s。

3 模擬結(jié)果及討論

高溫下大電流TIG焊的熔池形狀為如圖1所示，熔池形狀成寬且淺的形狀，這是因?yàn)樵赥IG焊熔池中，馬蘭戈尼流是從中間向邊緣移動(dòng)，導(dǎo)致中間來自于電弧的熱被帶到了邊緣，從而形成寬的熔池。而又因?yàn)槭谴箅娏飨碌娜鄢?，中間部位的熱沒有充分的擴(kuò)散到周邊位置，還留有一部分的熱量在中間，以至于中間部位的熔深較深。在圖1中的綠色區(qū)域的溫度在1670K至1723K，而1670K為SUS304不銹鋼的液相點(diǎn)，1723K為固相點(diǎn)。所以綠色的區(qū)域就為糊狀區(qū)，從TIG焊不同時(shí)間下糊狀區(qū)的變化可以看出，TIG焊在冷卻過程中，熔池邊緣先冷卻，隨后，熔池中心才逐漸凝固。

高溫下大電流（200A） TIG焊的熔池形狀為如圖1所示，熔池形狀成寬且淺的形狀，這是因?yàn)樵赥IG焊熔池中，馬蘭戈尼流是從中間向邊緣移動(dòng)，導(dǎo)致中間來自于電弧的熱被帶到了邊緣，從而形成寬的熔池。而又因?yàn)槭谴箅娏飨碌娜鄢兀虚g部位的熱沒有充分的擴(kuò)散到周邊位置，還留有一部分的熱量在中間，以至于中間部位的熔深較深。在圖l中的綠色區(qū)域的溫度在1670K至1723K，而1670K為SUS304不銹鋼的液相點(diǎn)，1723K為固相點(diǎn)。所以綠色的區(qū)域就為糊狀區(qū)，從TIG焊不同時(shí)間下糊狀區(qū)的變化可以看出，TIG焊在冷卻過程中，整個(gè)凝固時(shí)間為0. 38s，并且熔池是由內(nèi)部向外部進(jìn)行凝固，最后的液相存在于表面。

ATIG焊的熔池形狀為如圖2所示，熔池形狀成窄且深的形狀，這是因?yàn)樵贏TIG焊熔池中，馬蘭戈尼流是從邊緣向中間移動(dòng)，導(dǎo)致中間來自于電弧的熱被帶到了熔池底部，從而形成深的熔池。從ATIG焊不同時(shí)間下糊狀區(qū)的變化可以看出，ATIG焊在冷卻過程中，整個(gè)凝固時(shí)間為0.68s，遠(yuǎn)大干TIG焊的凝固時(shí)間，并且熔池是由邊緣向內(nèi)部進(jìn)行凝固，最后的液相存在于熔池中心，容易產(chǎn)生縮孔現(xiàn)象。