焊接熔池的流体动力学行为及凝固组织模拟

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1、摘要摘要应用流体动力学基本方程和多孔介质流方程，建立了移动热源作用下的TIG焊接熔化和凝固过程的单相统一控制方程组，给出了能量和动量边界条件。通过编制用户程序，以软件PHOENICS3．3作为求解器，分析了熔池中驱动力一浮力、电磁力、表面张力单独及联合作用下的流体动力学行为，并模拟了奥氏体不锈钢、铝合金和超细晶粒钢在不同焊接参数下的温度场和速度场；研究了A—TIG焊接熔池中的表面活性元素氧含量和硫含量对流体流动方式的影响：并以模拟的TIG焊接温度场为基础，运用GBE模型，模拟了不锈钢和铝合金材料的

2、焊缝中晶粒的生长。数值模拟结果与实验结果良好吻合。研究发现，电流150A，电弧速度为3．33mm／s的TIG焊接熔池中，浮力驱使流体由熔池中心流向边缘，流体速度的数量级为10mm／$，对熔池形状的影晌较小；电磁力驱使流体由熔池边缘流向中心，造成对熔池底部的直接冲击而使熔深增加，流体速度的数量级为10mm／s。表面张力流体速度的数量级为1．0I／1,／s，熔池形状与表面张力温度系数的性质有关，负系数作用下的流体由熔池中心流向边缘，熔池宽而浅，正系数下的反向涡流使熔深大幅度增加，熔池深而窄。从不锈钢、

3、铝合金、超细晶粒钢的焊接温度场和速度场的模拟结果得出，熔池中的流体流动由浮力、电磁力、表面张力共同作用，可产生多个涡流，表面张力是熔池中流体流动的主要驱动力，而且表面张力温度系数越大，流体速度就越大。材料的热导率对熔池形状的影响较大。由于不锈钢的热导率小，熔池中方向相反且强度较大的涡流使得熔池外形轮廓扭曲严重，而热导率大的铝合金的熔池形状对涡流的方向和强弱不太敏感。在移动热源下，作用于熔池底部的电磁力，其形成的涡流强度不仅与电流大小有关，还与材料性质、电弧移动速度有关。相同电流作用下，移动速度越快

4、，热导率越大，电磁力作用就越小。A．TIG焊中，熔池中的表面活性元素氧和硫显著地影响了熔池中的流体流动方式，活性元素含量的增加和熔池表面温度的降低有利于扩大自由表面上正表面张力温度系数所占的区域。当活性元素含量高于某一临界值时，正表面张北京工业大学工学博士学位论文力温度系数完全控制着熔池中的流体流动方式：当活性元素含量低于这个临界值，正、负系数在熔池中同时作用，流体流动方式由二者强弱决定。焊接参数不同，活性元素含量的临界值不同。在正、负表面张力温度系数变化处即最大表面张力处附近，等温线密集，温度梯

5、度最大，而熔池中部的温度梯度最小。随着活性元素含量的增加，熔池深宽比迅速增大，然后趋于一定值，并且在熔池中会出现数目，大小，方向，位置不同的涡流。当熔池中正表面张力温度系数占优势时，熔池中的流体由熔池边缘流向中心，这种流动方式能有效地把电弧能带到熔池底部，从而使熔深大幅度增加。熔池中的表面张力温度系数由负变为正时，流体流动方式的变化，使得熔池后部沿熔深方向上的金属液体由熔池底部流向熔池表面，这种流动方式对降低焊缝中气孔、夹杂物的形成倾向极为有利。焊缝中的晶粒生长形态与熔池的形状有关。运用GBE模型

6、，以模拟得到的液相线作为晶粒生长的起始位置，根据晶粒的四种生长方式，通过叠加不同时刻的晶界位置，模拟了奥氏体不锈钢，铝合金焊缝中的柱状晶的动态生长，并用试验验证了模拟结果。晶粒的生长形态受熔池长宽比的影响，而熔池长宽比是焊接热输入、焊接速度和热导率的函数。长宽比越小，熔池形状越接近椭圆形，晶粒朝焊接方向生长，晶粒弯而长；长宽比越大，熔池形状沿焊接方向拉长，晶粒沿垂直于焊缝的方向生长，晶粒短而直。关键词焊接熔池；流体动力学；凝固组织的模拟；A．TIG焊；表厩活性元素温度场和速度场本研究得到国家973

7、项目‘新一代钢铁材料重大基础研究’(No．G1998061500)资助ABSTRACTAnone’phasecontinuummixturemodelwhichiSsuitableforcalculatingfluidflow，temperaturefieldandliquidfractionfieldontheproblemsofsolidJliquidphasetransformationformulti-phasesystemsbysolvingasetofconservationequat

8、ionsandsupplementaryequationsisestablishedbycombiningfluidflowdynamicalequationsandporousmedialflowequations．Energyboundariesandmomentumboundariesarelisted．FluiddynamicsbehaviourthatisoccurredbydrivenforcesisstudiedbyusingsoftwarePHOENICS3．3．A