焊接熔池的流體動(dòng)力學(xué)行為及凝固組織模擬.pdf

1、應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)基本方程和多孔介質(zhì)流方程,建立了移動(dòng)熱源作用下的TIG焊接熔化和凝固過(guò)程的單相統(tǒng)一控制方程組,給出了能量和動(dòng)量邊界條件.通過(guò)編制用戶程序,以軟件PHOENICS3.3作為求解器,分析了熔池中驅(qū)動(dòng)力—浮力、電磁力、表面張力單獨(dú)及聯(lián)合作用下的流體動(dòng)力學(xué)行為,并模擬了奧氏體不銹鋼、鋁合金和超細(xì)晶粒鋼在不同焊接參數(shù)下的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng);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(duì)流體流動(dòng)方式的影響;并以模擬的TIG焊接溫

2、度場(chǎng)為基礎(chǔ),運(yùn)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(zhǎng).數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)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(kuò)大自由表面上正表面張力溫度系數(shù)所占的區(qū)域.當(dāng)活性元素含量高于某一臨界值時(shí),正表面張力溫度系數(shù)完全控制著熔池中的流體流動(dòng)方式;當(dāng)活性元素含量低于這個(gè)臨界值,正、負(fù)系數(shù)在熔池中同時(shí)作用,流體流動(dòng)方式由二者強(qiáng)弱決定.焊接

3、參數(shù)不同,活性元素含量的臨界值不同.在正、負(fù)表面張力溫度系數(shù)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(huì)出現(xiàn)數(shù)目,大小,方向,位置不同的渦流.當(dāng)熔池中正表面張力溫度系數(shù)占優(yōu)勢(shì)時(shí),熔池中的流體由熔池邊緣流向中心,這種流動(dòng)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(shù)由負(fù)變?yōu)檎龝r(shí),流體流動(dòng)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(dòng)方式對(duì)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(zhǎng)形態(tài)與熔池的形狀有關(guān).運(yùn)用GBE模型,以模擬得到的液相線作為晶粒生長(zhǎng)的起始位置,根據(jù)晶粒的四種生長(zhǎng)方式,通過(guò)疊加不同時(shí)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(dòng)態(tài)生長(zhǎng),并用試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果.晶粒的生長(zhǎng)形態(tài)受熔池長(zhǎng)寬比的影響,而熔池長(zhǎng)寬比是焊接熱輸入、焊接速度和熱導(dǎo)率的函數(shù).長(zhǎng)寬比越小,熔池