电弧特性和其对熔池形貌影响的数值模拟.pdfVIP

第58卷专刊2009年6月 物 理 学报 1000．329012009／58(专刊)／S094．10ACTAPHYSICASINICA ⑥2009 Chin．Phys．Soc． 电弧特性及其对熔池形貌影响的数值模拟* 陆善平’ 董文超 李殿中 李依依 (中国科学院金属研究所，沈阳材料科学国家(联合)实验室．沈阳110016) (2008年12月17日收到；2009年3月18日收到修改稿) 通过电弧模型与熔池模型耦合数值模拟，研究了氩弧和氦弧特性及其对SUS304不锈钢钨极惰性气体保护 (TIG)焊熔池形貌的影响．通过比较氩弧和氦弧的温度轮廓线以及阳极表面电流密度和热流密度分布发现，氦弧 的径向距离比氩弧收缩明显，导致更多热量传递给阳极．模拟了氩弧和氦弧下浮力、电磁力、表面张力和气体剪切 力分别对熔池形貌的影响．结果表明：不论是在氩弧还是在氦弧下，熔池中表面张力是影响熔池形貌的最主要驱 动力．在氩弧下，影响熔池形貌的另一个重要的驱动力是气体剪切力，而氦弧下则是电磁力．由于电磁力引起的内 对流运动增加了熔深，从而导致相同氧含量时氦弧下的熔深和焊缝深宽比要高于氩弧下的熔深和焊缝深宽比．随 着氧含量的增加，氩弧和氦弧下的焊缝深宽比均先增加而后保持不变．焊缝深宽比的模拟结果与实验结果符合 较好． 关键词：氩弧，氦弧，电弧特性，熔池形貌 PACC：5280，4110F，5230 TIG焊熔池形貌的影响，结果发现：随着熔池中活性 1．引 言 组元含量的增加，熔池的形貌发生了明显的变化，由 低活性组元含量下的浅宽型转变为高活性组元含量 钨极惰性气体保护(TIG)焊焊接质量高，在工业下的深窄型焊缝．由此可知，调整液态熔池中活性组 生产中得到了较广泛的应用，但TIC焊熔深浅制约 元含量是获得深窄型TIG焊焊缝形貌、提高TIG焊 了其焊接效率的提高．增加TIG焊焊缝深宽比、提高 焊接效率的一个重要途径．可是，对于活性组元影响 TIG焊焊接效率是一个既有理论意义又有应用背景 液态熔池形貌的机理研究还不够深入，也没有一个 的课题． 统一的认识．由于焊接过程中熔池的形成和凝固速 对于TIG焊，熔池形貌取决于熔池内热传导和 度快，因而很难通过实验的方法直接观察到熔池内 热对流，引起熔池内对流运动的主要驱动力有浮力、 对流运动及其演变过程．焊接过程是一个由试板、熔 电磁力、表面张力和气体剪切力，如图1所示．文献 池、电弧、电极和电源构成的封闭回路，熔池的演变 [1—3]通过实验与数值模拟方法研究了活性组元对过程直接受上方焊接电弧的影响．从事焊接熔池 (a) (b) (c) 图1riG焊熔池中引起对流运动的四种驱动力(a)浮力，(b)电磁力，(c)表面张力，(d)气体剪切力 *国家自然科学基金(批准号资助的课题 t E-mail：shplu@imr．ac．cn 专刊 陆善平等：电弧特性及其对熔池形貌影响的数值模拟 S95 冶金的研究者往往忽略焊接电弧的重要影响，而从 事电弧物理的研究者往往不考虑其对液态熔池形貌 ● I 的影响．采用数值模拟与实验结合的方法，研究焊接 电弧特性及其对焊接熔池形貌的重要影响，分析液 阴极 厂r I = 态熔池形成过程和影响其