熔焊時，工件上所形成的具有一定幾何形狀的液態(tài)金屬部分稱為焊接熔池。焊接熔池內(nèi)的液態(tài)金屬并非靜止不動，而是在多種力的作用下劇烈流動，且伴隨著傳熱、對流與相變等復(fù)雜物理過程。顯然，焊接液態(tài)熔池屬于流體力學(xué)研究范疇，它的流動行為同樣受質(zhì)量守恒、動量守恒及能量守恒三大方程制約。

作用于焊接熔池液態(tài)金屬的力主要包括重力、浮力、電磁力、表面張力、電弧力等，如圖 2-12所示。其中，電弧力(尤其是在焊接電流小于200A時)與其他幾個力比起來較小，?？珊雎浴?/span>

圖 2-122 TIG 焊熔池示意圖

1.浮力

在焊接過程中，熱量往往是從熔池上表面進(jìn)入工件的，這就造成了熔池內(nèi)液態(tài)金屬的溫度不均衡，使熔池內(nèi)液態(tài)金屬的密度隨空間和時間的改變而形成密度梯度。由于密度梯度的存在，液態(tài)金屬在重力的作用下不能維持先前的靜力平衡效應(yīng)，由此形成了液態(tài)金屬的流動行為(在溫度梯度驅(qū)使下)，流動的目的是使液態(tài)金屬的溫度趨于相同。在計(jì)算過程中，由溫度梯度而引起的浮力有兩種處理方法:一是把液態(tài)金屬的密度視為溫度的函數(shù);二是采用Boussinesq假設(shè)(不考慮溫度改變所造成的密度變化，而將流場中因溫度差形成的浮力以源項(xiàng)的方式加入動量方程的源項(xiàng)中)。Boussinesq浮力假設(shè)的表達(dá)式為

G=-p₁gB(T-T₀)

式中，P₁參考溫度T₀下液態(tài)金屬的密度；

g——重力加速度:

β——液態(tài)金屬的體積膨脹系數(shù):

T₀——參考溫度，這里取液態(tài)金屬熔點(diǎn):

T——流體溫度。

2.電磁力

在焊接過程中，電弧區(qū)域和熔池區(qū)域內(nèi)存在著自感應(yīng)磁場，磁場與電流相互作用產(chǎn)生的電磁力(洛倫茲力)作用在焊接熔池中各個質(zhì)點(diǎn)上。由于電流是分散的，因此其在工件中是不均勻分布的。這就造成工件中電磁力大小分布不均勻，所以液態(tài)金屬中每個質(zhì)點(diǎn)所受電磁力大小也各自不同，從而驅(qū)使焊接熔池內(nèi)液態(tài)金屬流動。在焊接熔池計(jì)算模型中，電磁力(洛倫茲力)的計(jì)算公式與式(2-46)相同。

3.表面張力

表面張力的大小由熔池表面的溫度梯度決定。表面張力和表面張力梯度共同促使液態(tài)金屬發(fā)生對流行為，稱為Marangoni對流。Marangoni對流驅(qū)使液態(tài)金屬向表面張力增大的趨勢流動。表面張力梯度的大小和方向取決于熔池表面的溫度梯度和表面張力對溫度的依賴性。Marangoni表面張力可表述為

式中，T——流體溫度;

x、y——熔池自由表面所在平面坐標(biāo):

Z——工件厚度方向坐標(biāo);

u、v——x方向速度分量與y方向速度分量；

μ——液態(tài)金屬的動力黏度系數(shù):

Y——表面張力;

Y/T——表面張力溫度系數(shù)。

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

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