三维TIG焊接电弧与熔池动态交互过程数值分析

摘要

熔池自由表面变形直接影响着焊接电弧的行为特征,而电弧行为特征反过来又会影响到熔池内液体金属的流动,最终影响焊缝的成形,对电弧与熔池之间的自由界面的处理是实现焊接电弧与熔池动态交互过程的关键问题.根据磁流体动力学理论以及焊接的实际情况,建立了三维TIG焊接电弧与熔池数学模型,在建立模型的过程中将焊接电弧与熔池统一起来建模,这样避免了对电弧以及熔池界面部分的假定.而且建立的三维数学模型充分考虑了由电弧压力、表面张力以及重力造成的熔池自由表面凹凸变形和由于粘度引起的流体的有旋流动.运用建立的三维数学模型对TIG焊接电弧和熔池的流场和热场行了动态耦合数值分析,在求解过程中通过熔池表面变形公式计算的结果,不断更新电弧与熔池的计算区域来解决电弧与熔池的动态边界问题.采用等效潜热法来确定液相分数,假定固液相等同区来解决工件熔化区与非熔化区的移动边界.最终发现应用所建的三维模型,在考虑熔池自由表面变形情况下模拟出的熔池形状与试验结果更为近似.