摘要：本文建立了考虑自由表面的TIG焊熔池模型,模型采用移动双椭球焊接热源。利用FLUENT模拟了不同电流下熔池表面的流场，从模拟出的数据中得到了不同焊接参数时流场特性，分析研究焊接熔池的形成过程。
关键字: 数值模拟;焊接参数;流场
1计算模型的建立
1.1热源模型
为了更加接近实际情况，考虑热量在焊件厚度方向的传播和熔池前半部和后半部的受热差异，本文采用移动双椭球热源模型[1]。
双椭球热源模型公式：
前半部分
（1-1）
后半部分
（1-2）
其中，◆┫CZ、
分别为椭球体前后半轴的长度，
、
分别为椭球体前后两部分的热效率。
1.2建立几何模型和网格划分
采用100mm×50mm×4mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢焊件进行模拟，由于焊缝区域热输入大，温度梯度大和受热不均匀，故对距焊缝中心线5mm和10mm处进行两次网格自适应加密。
图1 工件模型及网格划分
2．熔池流场分析
图2，3，4是不同电流时熔池三方位截面的流场云图。X-Y截面可以看出：电流增大，熔池上表面熔化面积变大，代表流速的流线也越来越密集，说明流体流动速度也逐渐变大。图2中X-Z截面可以看出：熔池的前部有一个涡流，而且随着电流增大，涡流越来越大，流线越来越长，越来越密集。熔池沿焊接方向上的尺寸和熔深也都跟着电流的变大而变大[2]。
120A 150A
180A
图2 电流递增时X-Y面流场
120A
150A
180A
图3电流递增时X-Z面流场
120A
150A
180A
图4电流递增时Y-Z面流场
图4是熔池Y-Z截面的流场分布云图。可以看出，Y-Z截面上有两个关于焊缝中心线对称分布的涡流，这两个涡流都是由中心向外流动。电流变大，涡流越来越明显，流线越来越稠密。在临近上表面处，这两个涡流流线都是向熔池四周延伸，起的作用就是增加熔宽。在电弧作用中心处也就是熔池中心的温度最高，涡流从这里流向边缘，传递了电弧热量来熔化母材，扩展焊缝宽度。流线在熔池与母材的边界处发生转向，开始流向熔池底端，加热熔化熔池底部母材，增加熔深。最后，两个对称涡流流线同时在熔池底端又发生转向[3]，在焊缝中心线处会合，开始自下而上的流动，流动到熔池表面以后又能接受到电弧能量，这是一个完整周期。如此循环往复，最终形成密集焊缝。这就是为什么随着电流的不断变大，不但熔池的熔深增加，熔宽也在变宽，整个尺寸都变大。
通过软件测定电流递增时熔池金属的最大流速，数据表明，随着电流从120A增大到210A，熔池液体流动速度从0.252m/s增大到0.347m/s。流动速度的增大有助于熔池内热量的均匀分布和能量交换。
图5就是通过测量熔池模型的熔深和熔宽得到的熔深熔宽与电流变化的关系。根据上面三幅图，可直观看出电流增大使得熔池熔深和熔宽同步而且几乎是直线增大[4]。
图5熔深和熔宽随电流变化曲线
3结论：
模拟出了不同电流下TIG焊熔池流场，而且随着电流增大，涡流越来越大，流线越来越密集。熔池沿焊接方向上的尺寸和熔深也都跟着电流的变大而变大，在临近上表面处，这两个涡流流线都是向熔池四周延伸，起的作用就是增加熔宽。
4参考文献：
[1] 武传松,陈定华,吴林;TIG焊接熔池中的流体流动及传热过程的数值模拟[J];焊接学报;1988年04期
[2]霍宏伟.TIG焊三维熔池的数值模拟.学位论文，2014.5:
[3]张健.薄板高速TIG焊的数值模拟.学位论文，2007.6:
[4] Lin M L，Eagar T W. Pressures produced by gas tungsten arcs［J］.Metallurgical transactionsB,1986,17(3):601-607.
作者简介：张建宝，男，硕士，
论文作者:张建宝 李步楼 王汉瑶
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：熔池论文; 电流论文; 涡流论文; 椭球论文; 模型论文; 变大论文; 截面论文; 《电力设备》2019年第7期论文;