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外加纵向磁场移动GTAW焊接过程有限元研究

外加纵向磁场移动GTAW焊接过程有限元研究 2011年12月04日 来源： 摘要：在外加纵向磁场作用下，焊接容池液态金属的运动规律发生了质的变化。该文通过建立移动GTAW三维容池流场与热场的数学模型，利用ANSYS软件多物理场耦合分析功能对容池中外加纵向磁场和电流密度的分布以及外加纵向磁场作用下移动GTAW三维容池流体流动与传热行为进行了系统研究。旨在从本质上认识和揭示外加纵向磁场对移动GTAW容池的作用机理，为外加纵向磁场焊接技术的应用提供理论依据。 ANSYS 有限元数值模拟外加纵向磁场移动GTAW 焊接过程涉及到电磁场和流场之间的相互作用、热量传输以及相变等复杂的过程，而且流体流动和热量传输之间是相互作用、相互影响的，采用解析法很难求解。本文以有限元分析软件ANSYS 为平台，利用该软件所提供的多耦合场分析功能，采用参数设计语言（APDL）编制程序进行自动加载和求解。计算主要参数：励磁电流为20A，线圈离工件表面的平均距离为10mm，焊接电流为100A，弧长为2mm，钨极直径为3.2mm，钨极锥角为60 度，氩气流量为8L/min，采用直流正极性接法,焊接速度为3mm/s。计算条件及处理方法1 初始条件和边界条件在用ANSYS 进行速度场和温度场的耦合求解时，必须考虑速度和热边界条件，对暂态分析还应该考虑初始条件。1.1 速度边界 速度边界是指焊接过程熔池固液界面以及熔池自由表面。熔池固液界面在整个焊接过程是不断移动的，相变潜热的吸收和释放就是通过该界面进行的。在求解熔池流体流动及传热问题时，所面临的最困难的问题就是固液界面的移动。通常的作法是假设在热量传向界面和因此而产生的界面移动两个过程之间存在一个微小的时间滞后。即认为在一个微小的时间间隔内，熔池固液界面是固定的，在此条件下进行流场和热场求解，然后根据所求的传给界面的热量以及界面上潜热的释放或吸收等热量平衡条件求出界面的位移量，再根据新的界面位置计算下一时刻的流场和热场，依次类推，就可以求得整个焊接过程的流场和热场。这种方法算法实现复杂，其计算精度由时间步长决定，步长越小计算精度越高，越能反映熔池流场和热场的真实状况，所以极耗CPU 计算时间。为克服这种方法的不足，本文采用“固液同一法”，即让温度低于固相线T 的金属的粘性系数趋于无限大，而高于液相线T 的金属的粘性系数采用实际粘性系数值,从而将固液相统一起来。这样，在温度等于或低于固相线温度T 的区域，由于粘性系数非常大，流速为零。而在温度等于或大于液相线温度T 的区域，在磁场力作用下，粘度小的液相就会发生流动。这种方法不需要人工辨识流体区域，程序会根据热场分析结果自动更新固液移动界面位置并进行热场和流场的求解。规定沿熔池平表面法向，熔池表面流体的运动速度为零。由于在小焊接电流（ A I 120 . ）的条件下，普通GTAW 熔池上表面可近似为平表面[9]。此外，根据文献，外加纵向磁场定点GTAW 焊接过程焊接熔池上表面的位移非常小，甚至可以忽略。所以，本文这样处理并不会影响计算精度。计算区域，固体当作液体处理，那么流体区域便是整个焊接工件，所以，除自由表面以外的其它五个表面在各自法向的速度自由度约束也均为零。1.2 热边界外加纵向磁场移动GTAW 焊接过程焊接电弧热流密度呈高斯分布。焊件与周围介质（空气）之间存在热交换，其主要形式是对流和辐射。在焊接时热能的损失主要是通过辐射，对流的作用相对较小，并且温度越高则辐射作用越强。1.3 初始条件外加纵向磁场移动GTAW 焊接过程是暂态的，在进行数值计算前必须先确定初始速度和温度条件。在计算初始时刻，整个焊接工件的初始温度就是环境温度。由于在熔池形成之前不可能出现流体的流动，所以初始速度均为零。2 相变潜热处理ANSYS 热分析模块提供了用热焓法处理相变的方法，但该方法不能用于热流耦合分析，本文用等价比热法处理固液移动界面的相变潜热。3 材料热物理属性及其它相关参数本文选用的焊接材料为不锈钢1Cr19Ni9Ti。焊接试件的尺寸为100mm×50mm×5mm，其物性数据以及焊接工艺参数见表1。（略）4 电磁场、流场以及热场的耦合策略在外加纵向磁场移动GTAW 焊接过程中，励磁线圈由恒流源供电，并在焊接前就供电, 所以焊接过程一开始就受恒定的外加纵向磁场作用。本文忽略流体流动对此恒定磁场和熔池中发散的电流线分布的影响，认为在整个焊接过程中，随着焊枪的移动，熔池中电流密度矢量的分布相对于移动的焊枪并不改变。那么，在焊接过程中，恒定的磁场与不变的电流密度矢量相互作用所产生的力相对于移动的焊枪也是不变的。鉴于此，本文首先进行电磁场耦合分析，计算出熔池中的电流密度分布、外加纵向磁场分布、发散的电流线产生的感应磁场分布以及它们之间相互作用对工件中每一节点（或单元）产生的力的作用，然后再进行流场和热场的耦合分析。在进行流场和热场耦合计算的整个过程中，把电磁场耦合计算的结果（即力）作为边界条件施加进去，最终实现电、磁、热、流四场的耦合计算。结论本文利用ANSYS 软件所提供的多耦合场分析功能对外加纵向磁场移动GTAW 焊接过程中外加纵向磁场的分布、熔池中电流密度的分布以及熔池流体流动与传热行为进行了系统研究，研究发现：（1）在熔池范围内，单个空心圆柱线圈产生的磁场可近似为纵向磁场。电流密度矢量在距离熔池中心某一位置达到最大值，离电弧中心和工件上表面愈近，电流密度矢量愈纵向磁场的夹角愈小。（2）流体流动与传热行为研究表明，在外加纵向磁场作用下，焊接熔池和流场都需要一个过程才能建立并达到稳定状态。熔池呈“宽而浅”的形状，熔池中流体做非对称的旋转运动，这种旋转运动的最大值出现在偏离熔池中心的某一位置。(end)

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