双钨极TIG电弧-熔池传热与流动数值模拟<sup>*</sup>

doi:10.11900/0412.1961.2014.00401

金属学报

2015, Vol. 51

Issue (2): 178-190 DOI: 10.11900/0412.1961.2014.00401

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双钨极TIG电弧-熔池传热与流动数值模拟^*

王新鑫¹, 樊丁^1,²(

), 黄健康^1,², 黄勇^1,²

1 兰州理工大学材料科学与工程学院, 兰州 730050
2 兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室, 兰州 730050

NUMERICAL SIMULATION OF HEAT TRANSFER AND FLUID FLOW IN DOUBLE ELECTRODES TIG ARC-WELD POOL

WANG Xinxin¹, FAN Ding^1,²(

), HUANG Jiankang^1,², HUANG Yong^1,²

1 School of Materials Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050
2 State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Nonferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050

引用本文:

王新鑫, 樊丁, 黄健康, 黄勇. 双钨极TIG电弧-熔池传热与流动数值模拟^*[J]. 金属学报, 2015, 51(2): 178-190.
Xinxin WANG, Ding FAN, Jiankang HUANG, Yong HUANG. NUMERICAL SIMULATION OF HEAT TRANSFER AND FLUID FLOW IN DOUBLE ELECTRODES TIG ARC-WELD POOL[J]. Acta Metall Sin, 2015, 51(2): 178-190.

全文: PDF(7672 KB) HTML

摘要:

针对双钨极TIG电弧热源, 在已建立的双钨极电弧-熔池统一的三维数学模型的基础上, 以SUS304不锈钢为母材, 模拟得到了双钨极TIG电弧和熔池的温度、速度、电流密度、磁通密度和电磁力等分布, 模拟结果与已有的实验结果吻合良好. 考虑了熔池所受浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力以及湍流效应, 分析了熔池热输入的分布和熔池表面剪切力的变化, 并分别比较了这几个力单独作用下的熔池流动与传热, 同时结合无量纲数Pe, 比较了熔池热传导和热对流的相对强弱. 结果表明, 双钨极电弧的非轴对称特性导致熔池表面的电流密度、热流密度、等离子流拉力和Marangoni剪切力等出现非轴对称分布, 最终形成了熔池的非轴对称形貌, 而熔池的发展演化对电弧行为无明显影响. 与TIG电弧相比, 双钨极TIG电弧的等离子流拉力明显减小. Marangoni剪切力决定不锈钢熔池的流动状态, 且对流传热主导不锈钢熔池的热传递, 这两者的共同作用决定熔池的传热过程, 是形成不同熔池形貌的根本原因。

关键词 ：双钨极, 数值模拟, 传热, 非对称, 无量纲数

Abstract：

Based on a developed unified three dimension (3D) mathematical model including two tungsten electrodes arc and weld pool for double electrode TIG arc heat source, the temperature, velocity, current density, magnetic flux and Lorentz force of the double electrodes TIG arc and the weld pool are obtained for SUS304 stainless steel. The simulated results are in fair agreement with the experimental results available. Buoyance, Lorentz force, plasma drag force, Marangoni shear stress and turbulent effect are taken into account to formulate the weld pool behavior and the effects of the each force on the flow of the weld pool are studied respectively. The heat flux and shear stress at the weld pool surface are analyzed as well. A dimensionless number Pe is used to compare the relative importance of convective heat and conductive heat in the weld pool. It is shown that non-axisymmetric double electrode arc results in the non-axisymmetric characteristics of the current density, heat flux, plasma drag force and Marangoni shear at the weld pool, and thus produces non-axisymmetric weld pool profiles. The evolution of the weld pool has little effect on the arc behavior. The plasma drag force of the double tungsten electrode TIG arc decreases significantly compared with that of the TIG arc. The Marangoni stress determines the weld pool flow and the heat convected dominates the heat transfer in the weld pool, their combination effect determines the heat transfer in the weld pool, which is the essential reason for the formation of the different weld pool profiles。

Key words： double electrode numerical simulation heat transfer non-axisymmetric dimensionless number

收稿日期: 2014-07-21

ZTFLH:

TG402

基金资助:* 国家自然科学基金项目51074084和51205179资助

作者简介: null

王新鑫, 男, 1985年生, 博士生

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图1 求解域和边界条件示意图

Area	v / (m·s^-¹)	T / K	?? $Φ$ / V	A / (Wb·m^-¹)
A	$v z = v (x, y)$	T=T(x, y)	$? Φ ? n = 0$	$? A ? n = 0$
B	$? (ρ v) ? n = 0$	$? T ? n = 0$	$? Φ ? n = 0$	A=0
C	-	Eq.(18)	$? Φ ? n = 0$	A=0
D	-	Eq.(18)	0	$? A ? n = 0$
E	-	1800	$- σ e ? Φ ? z = I π r c 2$	$? A ? n = 0$

表1 边界条件

表2 模拟用到的物理常数[19,25,43]

图2 不同保护气氛定点焊接2 s时电弧和熔池xz面和yz面的温度场和流场

图3 xz面的电流密度和电磁力分布

图4 阳极表面0.15 mm处的温度场、流场和磁场

图5 定点焊接2 s时不同保护气氛下熔池表面的温度场

图6 不同保护气氛下熔池表面x和y方向的温度分布

图7 熔池表面x和y方向电流密度和热流密度分布

图8 定点焊接2 s时不同保护气氛下熔池表面的剪切力分布

图9 各驱动力单独作用下的熔池流动

图10 熔池驱动力单独作用下的熔池尺寸和最大流速

图11 熔池尺寸和熔池表面热流密度和电流密度峰值随时间的变化

图12 双钨极TIG电弧形貌

图13 不同保护气氛下模拟和实验的熔池形貌对比

图 14 计算和实验的焊缝尺寸对比

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