1.網(wǎng)格劃分與導(dǎo)入

采用 Hypermesh 軟件對(duì)復(fù)合電弧-熔池統(tǒng)一模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。針對(duì)求解域特點(diǎn)，在復(fù)合電弧區(qū)域存在較大的溫度梯度，為獲得更加精確的數(shù)值解，該區(qū)域采用較密的網(wǎng)格密度(最小尺寸為0.1mm)，其他區(qū)域最小尺寸為0.3mm，工件區(qū)域最小尺寸為0.5mm，網(wǎng)格類型盡可能選擇六面體網(wǎng)格。劃分的網(wǎng)格如圖8-21所示。

 

 

圖8-21 復(fù)合電弧-熔池統(tǒng)一模型網(wǎng)格劃分

 

啟動(dòng) Fluent,在啟動(dòng)界面選擇 3D 模型。導(dǎo)入網(wǎng)格后，在導(dǎo)航欄中選擇 General選項(xiàng)，在右面的任務(wù)頁面依次單擊Check→Scale→Display按鈕進(jìn)行網(wǎng)格的檢查、縮放與顯示。在General任務(wù)頁面中保持基于Pressure-Basced(壓力)的求解器以及 Steady(穩(wěn)態(tài))求解計(jì)算?？紤]熔池液態(tài)金屬會(huì)受到重力的影響，需要勾選Gravity 復(fù)選框，對(duì)照模型圖，選擇y軸負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，并輸入?9.8”作為重力加速度，如圖 8-22 所示。

 

 

圖 8-22General 任務(wù)頁面設(shè)置

 

2.激活相關(guān)模型

在導(dǎo)航欄中選擇 Model選項(xiàng)，進(jìn)入計(jì)算模型設(shè)置。本例中，需要計(jì)算電弧及熔池溫度場(chǎng)，故開啟 Energy(能量)模型。保持Viscous(黏性)模型為 Laminar(層流)。此外，考慮工件在電弧熱的作用下會(huì)發(fā)生熔化形成熔池，需開啟Solidification& Melting(熔化與凝固)模型，如圖 8-23 所示。

 

 

圖8-23 計(jì)算模型設(shè)置

 

3.熔池 UDF 方程中的源項(xiàng)

在本例中，共有兩個(gè)計(jì)算域、兩種材料，對(duì)于計(jì)算域求解相關(guān)輸運(yùn)方程的源項(xiàng)及部分材料屬性的設(shè)置均需通過編寫 UDF 程序完成。對(duì)于電弧等離子體,其 UDF 程序與 8.2節(jié)中類似,只是控制方程由二維擴(kuò)展到了三維,這里不再贅述。在這里，著重對(duì)熔池 UDF 中控制方程源項(xiàng)進(jìn)行說明。

 

(1)熔池能量守恒方程源項(xiàng)

在焊接熔池中，由于電流密度較小，故可忽略焦耳熱的影響，這樣，熔池的熱量將主要來源于電弧。在工件和電弧交互面上，熔池?zé)崃髅芏瓤杀硎緸?/span>

 

 

 

式(8-26)表示工件熱輸入由電弧等離子體溫度對(duì)工件表面形成的熱傳導(dǎo)9c、電子進(jìn)入工件的凝固潛熱qe和表面的輻射損失的熱q3部分組成。其中，電弧等離子體與工件表面熱傳導(dǎo)將通過耦合邊界條件進(jìn)行設(shè)置，而將e、q:兩項(xiàng)加入熔池能量守恒方程源項(xiàng)中。

 

(2)熔池動(dòng)量守恒方程源項(xiàng)

動(dòng)量守恒方程的源項(xiàng)主要來自焊接過程中熔池受到的若干力的作用。其中重力通過 Genera1任務(wù)頁面進(jìn)行設(shè)置(圖8-22),表面張力通過邊界條件進(jìn)行設(shè)置。在本例中，忽略電弧壓力、等離子流拉力及熔滴沖擊力，僅通過 UDF 將浮力及電磁力加入動(dòng)量守恒方程源項(xiàng)中。

 

熔池液態(tài)金屬在計(jì)算過程中，可認(rèn)為其密度不會(huì)發(fā)生較大的變化，因此采用Boussinesg 近似假設(shè)來處理浮力，其表達(dá)式為

 

 

 

式中，T0——參考溫度，這里取工件材料熔點(diǎn);Pi--參考溫度To下的液態(tài)金屬的密度;B--液態(tài)金屬的體積膨脹系數(shù)，因?yàn)楦×χ缓椭亓Ψ较蛴嘘P(guān)，故在x、z方向動(dòng)量方程中不添加這一項(xiàng)，只將浮力添加在y方向的動(dòng)量方程源項(xiàng)之中。

 

(3)電磁力

焊接熔池與電弧類似，均可以看作導(dǎo)電的磁流體，在焊接過程中電弧區(qū)域和熔池區(qū)域?qū)a(chǎn)生自感應(yīng)磁場(chǎng)，導(dǎo)電的磁流體將在焊接產(chǎn)生的電、磁場(chǎng)中受到電磁力的作用。在熔池中電磁力的大小也同樣近似等于洛倫茲力，洛倫茲力以式(8-28)的

 

形式被添加到動(dòng)量方程的源項(xiàng)中。其表達(dá)式為

 

 

 

LF垂直于電流密度矢量和磁感應(yīng)矢量。洛倫茲力在x、yz3個(gè)方向的分量分別為(JxB)、(JxB)、(JxB):，可結(jié)合麥克斯韋方程組給出。上述3個(gè)方向的洛倫茲力通過源項(xiàng)方式添加到相應(yīng)的動(dòng)量方程中。

 

4.工件的材料屬性

工件的熱物性參數(shù)選用得是否精確，直接決定了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本例中工件選取的材料為低碳鋼(S355J2W)，需要的材料物理參數(shù)有密度、導(dǎo)熱系數(shù)、黏度系數(shù)、比熱容等，這些參數(shù)大部分是隨溫度變化的。計(jì)算中所用的參數(shù)見表 8-2。

 

表 8-2 低碳鋼常規(guī)熱物性參數(shù)

 

 

其他與溫度有關(guān)的熱物性參數(shù)如下比熱容：

 

 

 

 

 

上述隨溫度變化的材料屬性可通過Materials任務(wù)頁面用分段線性函數(shù)給出(如8.2 節(jié)材料屬性設(shè)置)，也可通過 UDF程序給出。在本例中為了方便起見，將通過 UDF 給出，其中比熱容性能的給定通過 DEFINE SPECIFIC HEAT 宏定義而導(dǎo)熱系數(shù)和黏度系數(shù)均通過 DEFINE PROPERTY 宏定義。

 

5.邊界條件

模型的邊界分為外邊界和內(nèi)邊界,模型的外邊界指的是整體計(jì)算域的外邊界而內(nèi)邊界指的是計(jì)算域內(nèi)部兩種材料或相之間的界面。

 

在本例中，工件的外側(cè)表面與外界存在熱交換，通過混合散熱邊界條件給定，如下式：

 

 

 

式(8-29)表示工件外表面的換熱條件是由對(duì)流和輻射組成的混合散熱條件。在導(dǎo)航欄中選擇 Boundary Conditions 選項(xiàng)展開并找到相應(yīng)邊界，雙擊打開Wall對(duì)話框，選擇 Thermal選項(xiàng)卡進(jìn)行邊界熱條件設(shè)置，勾選Mixed單選按鈕并設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，如圖 8-24 所示。

 

焊接熔池的表面存在著表面張力，其大小由熔池表面的溫度梯度決定。在本例中，熔池所在平面兩個(gè)方向的表面剪力可表示為

 

 

 

式中，T——熔池表面溫度；

 

 

圖 8-24混合散熱邊界設(shè)置

 

操作中通過設(shè)置表面張力溫度系數(shù)來加入表面張力對(duì)熔池表面流動(dòng)的影響在導(dǎo)航欄中 Boundary Conditions 下面找到工件與電弧區(qū)域的交界面并雙擊，打開Wall對(duì)話框，選擇Momentum(運(yùn)動(dòng))選項(xiàng)卡進(jìn)行邊界運(yùn)動(dòng)條件設(shè)置，勾選ShearCondition(剪切條件)下面的MarangoniStress單選按鈕，并在Surface TensionGradient(表面張力梯度)文本框中輸入“-4.3e-5”作為表面張力溫度系數(shù)，如圖 8-25 所示。

 

 

圖8-25 交界面表面張力溫度系數(shù)設(shè)置

 

其他邊界條件設(shè)置與8.2節(jié)中類似，這里不再贅述。本例中的邊界條件匯總見表 8-3。

 

表 8-3 外部邊界條件設(shè)置

 

 

表 8-3 中，σ為熔池液態(tài)金屬電導(dǎo)率，"為單位外法向矢量，",、vg 為等離子氣入口流速及 MIG 保護(hù)氣體入口流速，且有

 

 

 

 

6.求解設(shè)置

選擇導(dǎo)航欄中 Solution(求解設(shè)置)下面的 Solution Methods(求解方法設(shè)置)選項(xiàng)，在任務(wù)頁面下選擇 SIMPLEC算法。先選用一階迎風(fēng)格式加快計(jì)算速度，計(jì)算一段時(shí)間穩(wěn)定后改為二階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算精度，其余選項(xiàng)保持默認(rèn)即可，如圖8-26所示。選擇導(dǎo)航欄中的Solution Controls 選項(xiàng)進(jìn)行求解參數(shù)設(shè)置，如圖 8-27 所示。

 

 

圖8-26 求解方法設(shè)置

 

 

圖 8-27 求解參數(shù)設(shè)置

 

接下來，選擇導(dǎo)航欄中的 Solution Initialization 選項(xiàng)進(jìn)行求解初始化設(shè)置，在任務(wù)頁面保持默認(rèn)初始值，并單擊 Initialize 按鈕進(jìn)行初始化。

 

7.求解計(jì)算

選擇模型樹中的 Solution(求解設(shè)置)下面的Run Calculation選項(xiàng)，在任務(wù)頁面下設(shè)定 Number ofInteractions(迭代次數(shù))為 4000，單擊 Calculate 按鈕開始運(yùn)算。

 

8.復(fù)合電弧-熔池模擬結(jié)果

如圖 8-28 所示為三維復(fù)合電弧-熔池統(tǒng)一模型在xy平面上的溫度場(chǎng)分布。由圖 8-28 中可明顯看出，等離子弧具有強(qiáng)烈的電弧壓縮作用，它和MIG弧相比有較好的剛直性,高溫區(qū)也比 MIG 電弧要細(xì)長,其電弧溫度分布呈倒圓錐形，而 MIG 電弧溫度分布呈典型的鐘罩形。

 

 

圖8-28復(fù)合電弧-熔池溫度場(chǎng)的分布

 

焊接熔池溫度場(chǎng)在復(fù)合電弧的作用下，等離子弧位置下方的工件溫度迅速升高，這部分工件最先熔化。等離子電弧同時(shí)扮演著預(yù)熱及攪拌清理的角色，為MIG焊的焊接做準(zhǔn)備。隨著復(fù)合電弧的不斷作用，工件熔化范圍開始擴(kuò)大，而MIG焊則高效地填充了等離子弧所產(chǎn)生的空隙，從而實(shí)現(xiàn)了高效、穩(wěn)定的復(fù)合熱源焊接。

 

如圖 8-29所示為焊接熔池在xy平面上的流場(chǎng)分布，其中等離子弧焊接部分與常規(guī)弧焊方法有所差別，它的電弧能量高度集中，故在等離子流力強(qiáng)大的推動(dòng)下，焊接熔池內(nèi)的液態(tài)金屬向下流動(dòng)。與此同時(shí)，重力驅(qū)使熔化金屬從熔池表面流向熔池底部，且所選材料低碳鋼的表面張力溫度系數(shù)為負(fù)值，熔池表面液態(tài)金屬由中心流向邊緣，在熔池內(nèi)部形成環(huán)流。

 

 

圖8-29 焊接熔池在xy平面上的流場(chǎng)分布

 

如圖 8-30 和圖 8-31所示為計(jì)算所得復(fù)合焊接熔池溫度場(chǎng)和熔池溫場(chǎng)視圖。根據(jù)圖 8-30 和圖 8-31 可知計(jì)算熔深為3.5mm，計(jì)算熔寬(一半)為 7.75mm。熔池高溫區(qū)域主要集中于等離子焊下方，形態(tài)上前部較深較寬，后部逐漸變淺變窄，符合雙橢球體形態(tài)。

 

 

圖 8-30復(fù)合焊接熔池溫度場(chǎng)

 

 

圖8-31 熔池溫度場(chǎng)俯視圖

 

為驗(yàn)證本例研究所建立的等離子-MIG 復(fù)合電弧模型的可靠性，將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。由于對(duì)復(fù)合電弧溫度場(chǎng)進(jìn)行直接觀測(cè)測(cè)量比較困難，這里使用相同工藝下熔池的幾何尺寸和形狀從側(cè)面驗(yàn)證復(fù)合電弧及熔池模擬的準(zhǔn)確性。焊接實(shí)驗(yàn)采用 S355J2W 低碳鋼,厚度為12mm,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(hù)氣流量28L/min。

 

如圖 8-32所示為計(jì)算所得熔池與實(shí)驗(yàn)熔池對(duì)比圖，計(jì)算熔深為3.5mm，計(jì)算熔寬為 15.5mm，在同樣的焊接條件下，實(shí)驗(yàn)所得熔深約為3.6mm，熔寬約為15.35mm，其熔深、熔寬誤差在合理范圍之內(nèi)，形態(tài)也相吻合，從側(cè)面驗(yàn)證了復(fù)合電弧模擬的準(zhǔn)確性。

 

 

圖8-32計(jì)算所得熔池與實(shí)驗(yàn)熔池對(duì)比圖

 

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

 

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