薄板在CO2氣體保護焊電弧作用下的溫度場模擬

喬泉智

摘要：近年以來，由于模擬技術(shù)的成熟，各種新型焊接方法的的模擬層出不窮，可是對于傳統(tǒng)的CO2氣體保護焊的模擬研究卻比較少，本文就在這樣的背景下基于CFD技術(shù)，使用Flent軟件對最常用的Q235薄板在二氧化碳氣體保護焊溫度場作用下的基本情況進行了模擬，分析了CO2氣體保護焊溫度場的基本情況結(jié)合對CO2氣體保護焊電弧高速攝影影像的結(jié)果，得到了受到焊接影響下的能量分布情況、過渡形式等。證明了本文所建的模型具有一定研究價值。

關(guān)鍵詞：溫度場；CO2氣體保護焊；模擬，Q235

1.課題背景及意義

二氧化碳氣體保護焊是一個已經(jīng)相對成熟的焊接方法。而傳統(tǒng)的研究多以實驗的方法進行研究，使用數(shù)值模擬研究的方法來研究這個領(lǐng)域的實例比較少，本文將基于Fluent流場模擬軟件來進行對二氧化碳氣體保護焊溫度場情況的模擬，考慮到實際情況過于復(fù)雜，我們簡化了一些參數(shù)，整體過程控制在可接受的范圍內(nèi)。能充分的體現(xiàn)氣體保護焊溫度分布的特點，使我們能更好地認(rèn)識、研究氣體保護焊過程中的各種情況。從溫度場角度揭示氣體保護焊材料的成型過程。

Fluent概述。FLUENT主要優(yōu)勢在于可以提供多種多樣的網(wǎng)格劃分模式。這樣使用者根據(jù)所模擬的情況不同選擇使用不同類型的劃分方式，使模擬結(jié)果更貼近于實際。Fluent不可或缺這三個步驟包括：前處理軟件后期處理軟件和求解。由于技術(shù)水平，我們本次采用GAMBIT作為模擬的前置處理軟件，進行幾何建模，在Fluent中導(dǎo)入網(wǎng)格化的模型求解。

2.簡化條件

首先，我們假定流體是牛頓流體，處于不可壓縮狀。然后，我們忽略焊接過程中輻射換熱造成的二次熱吸收。忽略弧壓力等復(fù)雜的作用力。假設(shè)焊接材料本身是水平面，焊縫區(qū)域也不因發(fā)生加熱而變成凹凸不平面。假定熱源的分布規(guī)律是一個中間集中，而周圍較少的正態(tài)分布，即高斯分布；建立幾何模型。我們研究的主要材料為q235鋼，我們?nèi)∫粔K4*50*80mm的q235鋼板進行模擬。將這個規(guī)格輸入GMABIT之中，得到了一塊幾何體，對這個幾何體劃分網(wǎng)格。由于這個幾何模型是一個非常標(biāo)準(zhǔn)的六面體，我們采取與它本體更為接近的六面體網(wǎng)格劃分法來將其網(wǎng)格化，我們采用了網(wǎng)格自適應(yīng)；熱源模型的制定。我們在這次研究中所采用的薄板，可以簡化為一個平面所以我們采用面熱源，同時采用了高斯分布作為這種熱源的模型；邊界條件。我們假設(shè)工件在室溫下進行工作，室溫為20攝氏度左右，為計算方便取整K氏溫度300，假設(shè)工件換熱方式只有對流換熱和輻射換熱兩種，忽略其他換熱過程，假設(shè)工件溫度輸出點從工件底部的中心點開始，沿直線運動到工件頂部中點，工件向周圍散熱忽略。

3.結(jié)果與分析

通過高速攝影過程的分析可以得知，中心部分為焊絲熔化，焊絲下方的部分是熔池，通過對焊接熔池形態(tài)的觀察我們發(fā)現(xiàn)電弧攪拌了焊接熔池使其呈現(xiàn)沸騰狀態(tài)。焊接過程中通過焊材溫度的測量2457k，初步認(rèn)定這個溫度就是二氧化碳氣體保護焊接過程的最高溫度。

結(jié)合以上結(jié)果采用Fluent軟件對被焊工件加以模擬，使用上文中介紹過的簡化模型作為焊接的工件與熱源模型，得到結(jié)果將被焊件分成11個區(qū)域，由10條線劃分，這些線是等溫線，等溫線就是把一個區(qū)域上溫度一致的各個點連接到一起形成的線，兩條等溫線之間的溫度介于兩線顯示的溫度范圍之間，所有的等溫線不可以相交整個焊接溫度場區(qū)域產(chǎn)生了明顯的“拖尾現(xiàn)象”，而溫度場前端等溫線極為密集，可以明顯的發(fā)現(xiàn)這個焊接過程中焊接作用范圍比較小，溫度梯度大。

在本實驗中使用CO2氣體保護焊焊絲直徑取0.8mm，焊接電流取120A，焊接電壓取20V，由公式計算可知這種模型下的能量輸出不會將被焊工件燒穿，焊接速度10mm/s。通過二氧化碳氣體保護焊溫度場穩(wěn)定狀態(tài)下的示意圖，我們可以看出二保焊過程中圖像形狀類似“倒置液滴”的形狀，焊接過程中隨著焊絲的前進，焊接局部區(qū)域的板材融化形成焊接熔池。由于熔池是液化金屬形成的，它的基本形態(tài)是一個液相狀態(tài)，這個液相狀態(tài)的焊接熔池形成在焊絲周圍，由于液相對焊絲的阻礙比固液混合小，所以焊絲處于熔池比較靠前的位置。溫度場分布不均勻，過渡的區(qū)間較小。焊絲身后的熔池是液體，它對此區(qū)域起到存在保溫的作用，而焊絲前方的區(qū)域是未融化的金屬，該區(qū)域內(nèi)的金屬吸熱融化，使得該區(qū)域溫度升高速度比較慢。所以溫度場整體是以焊絲為中心前方短而寬，總的來說這種形態(tài)是由于對流換熱造成的。

通過焊接熱循環(huán)曲線可以看出這個區(qū)域溫度梯度的下降情況，來看整個焊接區(qū)域核心區(qū)域溫度2470k，接下來占1500k以上液項區(qū)域約寬3mm，而根據(jù)溫度分配情況我們可以發(fā)現(xiàn)整個焊接接頭區(qū)域的影響范圍寬度約為10mm，區(qū)域內(nèi)溫度下降速度非?？欤嬖诤艽蟮臏囟忍荻?，以至于整個區(qū)域之中的氣體不能充分釋放大大提高了該區(qū)域產(chǎn)生氣孔的可能性。

在二氧化碳氣體保護焊的過程中能量損失的部分約為34%。我們可以發(fā)現(xiàn)作用于板材上的熱量首先融化了上層金屬，直到整個焊縫區(qū)域的金屬融化成液體，在電弧的攪拌作用下不斷流動，這些金屬液體又向下繼續(xù)傳熱使下層金屬融化，同時向周圍金屬傳熱。而其他不能融化的區(qū)域金屬升溫較慢，溫度提升速度也比較小，可知這個區(qū)域沒有受到電弧的直接加熱，傳熱的主要形式為熱傳導(dǎo)，它的傳熱速度要小于對流換熱。

4.結(jié)論

采用了CFD模擬軟件Fluent對最常見的CO2氣體保護焊建立了三維的薄板模型，以及高斯熱源模型，得出了溫度場分布。通過高速攝影了解了過渡形態(tài)。電弧在焊接過程中非常不穩(wěn)定，不斷躍遷。模擬結(jié)果顯示模型中CO2氣體保護焊焊接過程溫度最高為2470k，溫度場分布呈現(xiàn)“液滴”形狀，熔池區(qū)溫度下降速度遠遠快于其他金屬區(qū)域，分析可知其溫差梯度大。結(jié)合高速影像我們發(fā)現(xiàn)，焊接過程通過電弧和熔滴將熱量傳入板材，焊縫區(qū)域傳熱形式為對流換熱，其他未融化金屬區(qū)域則主要是熱傳導(dǎo)，故焊縫區(qū)域整體溫度提升極快。可以判斷焊接過程中絕大部分的能量主要消耗在這個區(qū)域用以熔化金屬形成熔池。

參考文獻

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