钨极气体保护焊的移动热源计算实例及温度场分布分析

1.三维钨极气体保护焊中的传热和流体流动

Shi等人^[18]研究了移动热源下钨极气体保护焊过程的传热及流体流动过程，如图5.5所示。质量、动量和能量耦合方程采用基于有限体积方法的计算流体动力学软件PHOENICS进行求解。母材金属为低碳钢，其热物性参数如表5.1所示。计算过程采用的两套焊接参数如表5.2所示。

图5.5 带有移动热源的钨极气体保护焊示意图

表5.1 计算中采用的热物性参数

表5.2 计算中的焊接参数

图5.6 计算得到的不同焊接参数下的三维温度场

图5.6为计算得到的两组焊接参数下的三维温度场分布，可以发现焊接熔池的温度随着焊接功率输入的增加而增加，熔池深度和宽度也相应增加。焊接熔池表面的最高温度低于蒸发点。计算的熔池深度和宽度与实验结果进行对比用以验证表5.3中的数值模型，可以发现所计算的焊缝深度和宽度比实验结果略小。这种差异的产生主要来源于电弧效率_η和有效加热半径r_a估计的不足，目前，这两个参数通常由实验和数值计算的经验来确定。图5.7为两套计算参数下的速度场，很明显，熔化区域以及速度都随着功率的增加而增大。

图5.6 计算得到的不同焊接参数下的三维温度场（续）

表5.3 焊接熔池宽度和深度的模拟与实验结果对比

图5.7 计算不同焊接过程的焊接熔池流体流动的速度场

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图5.7 计算不同焊接过程的焊接熔池流体流动的速度场（续）

2.激光微焊接中的传热和流体流动

He和Debroy等人^[32]建立了一个瞬态模型，用于研究不锈钢激光点焊过程的传热及流体流动过程。焊接熔池对流传热的计算必须考虑表面张力和浮力。为了获得较高的精度，计算采用较细的网格和很小的时间步。如表5.4所示为计算中采用的物性参数。

表5.4 计算中采用的物性参数

图5.8对比了计算得到的焊接熔池界面和相应的实验值。计算和实验得到的焊接熔池的形状与尺寸吻合很好。可以看出随着激光束直径的增加，焊接熔池变得更宽、更浅。

图5.9所示，表明计算所得的温度场和速度场为时间的函数。起初焊接熔池尺寸迅速增加，温度和速度也随时间的增加而增加。脉冲结束时，峰值温度下降，焊接熔池迅速收缩。焊接熔池中的最大速度约为95cm/s。固液两相区存在于固相线和液相线之间较窄的区域内。加热时，这个区域的尺寸很小，在脉冲结束时尺寸明显增加。

图5.8 实验和计算得到的焊接熔池横截面^[32]，激光功率为1967W，脉冲周期为3ms

图5.9 不同时间计算得到的温度场和速度场^[32]

根据方程（5.13），焊接熔池中对流和传导传热的相对重要性可以用Peclet数来评价。图5.10为焊接熔池最大Peclet数随时间的变化曲线。可以看出，在大部分焊接时间内，Peclet数大于1，对流在焊接熔池内是最重要的传热机制。这正是为什么考虑流体流动能使模拟更接近实际焊接过程的原因。

图5.9 不同时间计算得到的温度场和速度场（续）

图5.10 最大Peclet数随时间的变化曲线^[32]