考虑金属蒸汽及氧元素分布的TIG焊三维数值分析

摘要

电弧辅助活性TIG焊（Arc assisted Activating TIG welding,即AA-TIG）是一种新型高效活性焊接方法。AA-TIG焊分为两种：一种是分离电弧AA-TIG焊，一种是耦合电弧AA-TIG焊。分离电弧AA-TIG焊是采用辅助电弧预焊焊道表面，使得焊道表面形成一层活性氧化层，之后再进行TIG焊接，这样能有效的增加焊缝熔深。耦合电弧AA-TIG焊是采用在辅助电弧中增加一定的活性组元来增加焊缝熔深。这些方法最大的特点就是：一是活性元素的引入更加方便，有利于实现自动化焊接；一是引入的活性元素为氧气或者二氧化碳，这本身就是空气中成分，不会对大气造成污染更加的绿色环保。作者课题组对AA-TIG焊进行了较多的初步焊接工艺试验，但是实验研究很难给出全面的结论。除此之外，大量的焊接工艺实验将消耗大量的焊接工作时间和焊接材料，实验成本高。在熔池表面不均匀分布的活性元素对熔池上表面流场的影响以及电弧与熔池之间的耦合作用方面，试验研究具有一定的局限性。
　　本文针对AA-TIG焊接方法，在试验研究的基础上，结合数值分析方法，对电弧、熔池、它们之间的耦合行为以及各自的传输行为进行研究。建立数学模型考虑金属蒸汽对TIG焊及活性TIG焊的影响。
　　建立了包括钨极、电弧和母材的电弧-熔池统一模型，研究了TIG焊电弧与熔池的交互作用及其各自的传输行为。模型中还考虑了来自熔池上表面的金属蒸汽对电弧和熔池的影响。结果表明，金属蒸汽主要分布在熔池上表面附近，金属蒸汽沿径向扩展。金属蒸汽存在时，电弧等温线出现收缩，这种收缩并没有使电弧最高温度升高。同时，电弧轴向速度略有减小，电势略有增大。熔池蒸发的金属蒸汽在向电弧扩散的过程中改变了原纯Ar弧等离子体的热物理性质，从而导致了电弧等离子体行为的改变。在混合等离子体作用下，电流密度在阳极上表面中心区域增加，边缘区域减小。熔池上表面的剪切力使得熔池形成向外的流动。金属蒸汽对熔池上表面速度分布和剪切力分布并无明显影响。与温度相关的表面张力函数对熔池行为的影响明显，而金属蒸汽的影响较小。
　　建立了不考虑金属蒸汽的活性TIG焊和考虑金属蒸汽的活性TIG焊数学模型，模拟研究活性焊的特点及金属蒸汽的分布情况。研究结果表明，活性TIG焊比TIG焊的熔池熔深更深，且活性TIG焊下的熔池上表面温度比传统TIG焊的高300K左右。考虑金属蒸汽的活性TIG焊中的金属蒸汽浓度有所增加，从而造成考虑金属蒸汽的活性TIG焊的电弧温度线比考虑金属蒸汽的TIG焊的温度线收缩更大。在电弧温度线的收缩强度上由弱到强的顺序是：不考虑金属蒸汽的TIG焊——考虑金属蒸汽的TIG焊——考虑金属蒸汽的活性TIG焊。
　　建立了氧元素不均匀分布下的分离电弧AA-TIG焊熔池三维数学模型，模拟研究了活性元素氧对分离电弧AA-TIG焊熔池传输行为的影响。考虑了活性元素氧在液态熔池表面实际的不均匀分布状态，涉及到的表面张力是表面张力温度梯度和表面张力浓度梯度共同作用的函数。结果表明，可以使用FLUENT RNG k-ε湍流模型对AA-TIG焊熔池模型进行数值计算。其中，将表面张力作为表面张力温度梯度和表面张力浓度梯度共同作用的函数编入程序能够较为合理的运行，得到了熔池上表面的复杂流动及熔池的温度场和速度场。当氧在熔池上表面呈非均匀分布，并且氧的不均匀分布模型为Ar-3.4％O2情况时，熔池内部仍然以内对流流动为主，熔深较深，熔池上表面的流动方式复杂。随着熔池上表面不均匀分布氧含量整体增加时，熔池上表面的流动状态由复杂的涡流流动变成了单一的向中心流动，熔深有所增加。活性元素氧的含量及不均匀分布状态直接影响了熔池的传输行为，改变熔池上表面的流动模式。研究表明在模拟计算中，表面张力应该是表面张力温度梯度和表面张力浓度梯度共同作用的函数，这样才能更加准确的描述AA-TIG焊熔池表面受力情况。

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第1章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2活性焊接方法的研究现状

1.3 焊接电弧与熔池数值模拟的研究现状

1.4 本文的研究内容及意义

第2章 数学模型

2.1 电弧辅助活性TIG焊接方法简介

2.2 Fluent软件的求解策略

2.3考虑活性元素氧非均匀分布下的活性TIG焊熔池数学模型

2.4 考虑金属蒸汽的TIG焊电弧熔池交互作用数学模型

2.5 不考虑金属蒸汽影响的活性TIG焊和考虑金属蒸汽的活性TIG焊

2.6 本章小结

第3章 考虑金属蒸汽的TIG焊电弧熔池交互作用数值模拟

3.1 考虑金属蒸汽作用的TIG焊电弧熔池交互作用模型

3.2 计算结果分析

3.3 本章小结

第4章 活性TIG焊电弧熔池三维数值模拟

4.1 活性TIG焊电弧熔池交互作用模型

4.2计算结果分析

4.3 本章小结

第5章 氧元素不均匀分布下的熔池数值分析

5.1 活性TIG焊熔池模型

5.2计算结果分析

5.3模拟结果与试验结果比较

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

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