根據(jù)鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）實(shí)際的熔池情況,建立了移動(dòng)熱源作用下的三維瞬態(tài)熔池?cái)?shù)值計(jì)算模型。考慮了熔池內(nèi)部所受到的浮力、電磁力、Marangoni力等綜合作用對(duì)熔池流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響,獲得了各時(shí)段不同焊接電流TIG焊的熔池行為變化規(guī)律。結(jié)果表明,焊接熔池在電弧壓力、電磁力、浮力和Marangoni力的共同作用下快速流動(dòng)攪拌,使形成的焊縫較為均勻。在焊接熱源移動(dòng)過(guò)程中,熔池前端等溫線被"壓縮",熱量密度較為集中,溫度梯度較大。而尾部發(fā)生明顯"拖尾",且熱量分散,真實(shí)地反映了焊接熔池的演變。在此基礎(chǔ)上,增大焊接電流后,熔池?cái)噭?dòng)增速,使得熱量傳播效率提升,引起了熔池體積增大。 

【文章來(lái)源】：熱加工工藝. 2020,49(21)北大核心

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【部分圖文】：

網(wǎng)格模型

圖2分別是焊接電流為100 A,5 s、20 s、50 s時(shí)熔池溫度場(chǎng)和流場(chǎng)云圖。從圖中可見(jiàn)，在恒定表面張力溫度系數(shù)下，焊接過(guò)程中流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化過(guò)程。在焊接開(kāi)始階段，試板的整體溫度較低，熔池的高溫區(qū)域主要集中在電弧中央?yún)^(qū)域，整個(gè)試板最高溫度為1155K。并且熱場(chǎng)分布不均，在熱源移動(dòng)方向上，熔池前端等溫線被“壓縮”，后端則發(fā)生“拖尾”。從熔池流場(chǎng)可見(jiàn)，熔池在受到電磁力、電弧壓力、重力、浮力、Marangoni力等的綜合作用下，表現(xiàn)出了從中央向兩邊向下的對(duì)流模式，這有利于將電弧在熔池區(qū)域產(chǎn)生的斑點(diǎn)熱迅速向周邊熔融金屬傳遞，可以起到加速對(duì)流、攪拌熔池的效果，進(jìn)而可形成良好的焊縫成形。隨著焊接熱源移動(dòng)，焊接到20s時(shí)，由熔池?zé)釄?chǎng)可以看出，隨著焊接電弧的移動(dòng)，熔池尾部后拖更加明顯，溫度等值線被拉長(zhǎng)，熔池前方等溫線被“壓縮”，溫度梯度較大。熔池?zé)崃鞣植嫉牟粎f(xié)調(diào)性將隨著熱源的移動(dòng)而更加明顯。從熔池流場(chǎng)可見(jiàn)，熔池整體逆時(shí)針流動(dòng)，前端流動(dòng)速度較小，后面較大，尾部快速攪動(dòng)，使得尾部熔池后拖明顯。而熔融鋁合金熱源加載中心附近存在較小的順時(shí)針流動(dòng)，與之前的流場(chǎng)相互影響，有形成湍流的趨勢(shì)。與此同時(shí)熔池以最大速度向前下方擴(kuò)散，使得熔池輪廓擴(kuò)大到底部。而熔池上表面也圍繞著水平面不規(guī)則波動(dòng)，形成起伏的熔池外表面。流場(chǎng)流動(dòng)速度從中心向外減小，在底部相對(duì)平穩(wěn)。隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊接到50s時(shí)，熱量在焊接工件中傳播范圍逐漸增大。熔池流動(dòng)集中在熱源中心附近，上表面熔池從高溫區(qū)向四周擴(kuò)散，在熱源中心處有較大逆時(shí)針的渦流，并且以最大速度向后下方傳遞，直至焊板底部。綜上對(duì)比，在整個(gè)焊接過(guò)程當(dāng)中，開(kāi)始起電弧時(shí)，溫度向外逐層傳遞，熔池還在生長(zhǎng)階段，熔池內(nèi)部流動(dòng)速度較小，沒(méi)有形成渦流，而是向四周快速擴(kuò)散。而隨著焊接過(guò)程深入，熔池在熱源中心附近較為集中，并且在Marangoni力等的綜合作用下形成渦流快速攪動(dòng)，內(nèi)部流速明顯增大，液相金屬往前下方擴(kuò)張。而焊接到中段時(shí)，熔池?cái)U(kuò)散表面?zhèn)鞑ジ鼮槠椒�(wěn)，內(nèi)部攪動(dòng)過(guò)程劇烈，液相金屬流向后下方，使得尾部后拖更為明顯。熔池經(jīng)歷了先快速生長(zhǎng)，而后隨著焊接進(jìn)程熔池先有前傾的趨勢(shì)，穩(wěn)定一段時(shí)間后，傾向后下方，使得尾部拖長(zhǎng)。

圖3為焊接電流為200 A，熔池5、20、50 s時(shí)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)云圖。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)焊接電流增大后，熔池?zé)釄?chǎng)峰值迅速增大。100A小電流中熔池流動(dòng)速度小，熔池還在生長(zhǎng)階段，而在200 A的電流中，熔池較早達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，攪動(dòng)速度增加，面積和體積增大，形成了較為劇烈的流動(dòng)狀態(tài)。在焊接開(kāi)始階段，隨著電流增大，熔池斑點(diǎn)傳熱能力增大，熔池形成過(guò)程加速，流動(dòng)速度峰值從0.15m/s增加到0.321 m/s；與100 A焊接電流熔池還在向外生長(zhǎng)相比，200 A焊接電流熔池場(chǎng)已經(jīng)發(fā)生復(fù)雜攪動(dòng)，熔池內(nèi)部在焊縫中心線有順時(shí)針流動(dòng)，前端在向外擴(kuò)張，最大的流體速度是沿前端向后上方流動(dòng)。在熔池尾部出現(xiàn)較大的渦流，與100A電流焊接相比，熔池?cái)噭?dòng)更為明顯，并且深度和寬度都明顯增加。而在焊接到20s時(shí)，熔池形狀發(fā)生較大改變，流動(dòng)速度峰值從0.346m/s增加到0.454m/s；與100A電流熔池較為集中相比，隨著電流增大，熔池面積擴(kuò)大，留有較長(zhǎng)的尾部，并且熔池液體還在大量向后流動(dòng)。熔池前端，熔池液體從上表面向下快速流動(dòng)，并且偏向后方。隨著電流增加，輸入熱量增大，電弧產(chǎn)生的了更大的電弧壓力，使熔池產(chǎn)生了更大程度的變形。在焊接50 s時(shí)，流動(dòng)速度峰值從0.310 m/s增加到0.535 m/s，速度增加較為明顯，并且大電流前端與小電流相比，200A焊接電流時(shí)以峰值速度向前擴(kuò)張，而100A則以速度峰值留尾。并且在50s時(shí)，小電流熔池趨于穩(wěn)定，流動(dòng)較為集中于焊接熱源附近，大電流不僅是熔池流動(dòng)區(qū)域的擴(kuò)大，熔池?cái)噭?dòng)更為劇烈，但與20s時(shí)相比，向尾部流動(dòng)的趨勢(shì)有所下降。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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