本節(jié)在8.2節(jié)電弧流體力學模擬的基礎上，以一個稍復雜的等離子-MIG 復合焊接例子[3]對熔池的流體力學模擬進行說明。

8.4.1 問題描述

等離子-MIG復合焊接系統(tǒng)由等離子弧焊與MIG焊組成，其計算區(qū)域如圖 8-20所示，復合焊采用旁軸式設計，等離子弧焊在焊接方向的前方，MIG焊電極在焊接方向的后方。等離子弧焊噴嘴孔徑為3mm，鎢極內(nèi)縮量為3mm，鎢極直徑為 2.4mm，電極錐角為9°。

MIG焊焊絲直徑為1.2mm，鎢極軸線與焊絲軸線夾角為 25°，等離子弧焊噴嘴距工件表面的距離為4mm。工件厚度為 12mm,材料為低碳鋼 S355J2W。

圖8-20等離子-MIG 復合電弧-熔池統(tǒng)一模型

焊接參數(shù):等離子電流180A，MIG電流200A，等離子氣流量6L/min，保護氣流量 28L/min，工件厚度12mm。對焊接熔池進行流體力學計算。

8.4.2 問題分析

在此問題中，模型不再具有軸對稱性，因此應建立三維計算模型，模型整體沿等離子弧焊鎢極與 MIG 焊電極所在平面對稱，可對整體模型的 1/2 進行建模。模型中包含兩個計算域--流體域與固體域,需要增加熔化-凝固模型計算焊接熔池的形成。

凝固熔化模型是在設定的溫度下發(fā)生凝固行為或熔化行為的模型，當溫度高于設定值時，流體內(nèi)部會出現(xiàn)流體的流動現(xiàn)象。軟件內(nèi)部采用Enthalpy-Porosity(焓-多孔度)功能來對流體的熔化和凝固進行模擬。運用多孔部分來表示熔化部分所占的份額，在多孔部分中完全熔化的流體區(qū)域的多孔度為1，在固體區(qū)域的多孔度為0，在糊狀區(qū)域的多孔度為0~1。在熔化過程中，多孔度從0上升至1:而在凝固過程中，多孔度從1降低到0;該模型通過在動量方程中添加源項S來描述糊狀區(qū)域流動的狀態(tài)，S由下式給出：

式中，,f1——液相體積分數(shù)，假定液相體積分數(shù)隨溫度呈線性變化，如式所示

式中，Ts——固相線溫度;

T1——液相線溫度。

整體計算思路是，先計算三維穩(wěn)態(tài)復合電弧，達到收斂后加入工件區(qū)域繼續(xù)計算，得到三維穩(wěn)態(tài)熔池。其中電弧計算過程與8.2節(jié)類似，這里主要介紹復合焊熔池模擬部分。

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

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