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电磁搅拌焊接熔池流体流动行为的研究-中国最大钣金展-锻压展-2016第十七届广州国际钣金、锻压工业展览会-巨浪展览- The 17th China（Guangzhou）Int’l Sheet metal machinery,Forging, Stamping and Setting Equipment Exhibition
2016年1月26日 钣金展-锻压展-sheet metal expo |
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来源：中国钣金网
前言焊接热过程的研究是焊接冶金分析、焊接热弹塑性分析和焊接过程自动控制的前提之一。外加纵向磁场TIG焊接熔池流体流动与传热行为对焊缝成形、组织和性能以及焊接质量有着重要的影响。外加纵向磁场TIG焊接熔化与凝固过程十分复杂，外加纵向磁场TIG焊接恪池流体流动及传热过程的研究还比较薄弱。本文选择外加纵向磁场TIG固定电弧焊作为研究对象，探索外加纵向磁场TIG焊接熔池流场、温度场和熔池形状的变化规律。
1数学模型本文在建立其数学模型时，作如下说明：（1）外加纵向磁场TIG焊接溶池中流体流动为不可压缩粘性流体的层流流动状态，且焊接熔池中的流体为牛顿体。焊接熔池表面为平面。（2）在外加纵向磁场TIG焊接过程中，能量从焊接电弧传递到工件。在外加弱磁场（BO. 1T）、小焊接电流（IS200A）的焊接条件下，焊接电弧的热流密度分布为正态高斯分布。经研究确认外加纵向磁场TIG焊接电弧电流密度在阳极表面沿径向的分布均为篼斯分布特性。1外加纵向磁场TIG定点焊接溶池流体流动与传热过程的控制方程为：根据分析计算可知，式（2）中的体积力分别为：外加纵向磁场TIG熔池流场和传热是一个瞬态轴对称问题，选取圆柱坐标系0），流场的速度为（k，co），如所示。励磁线圈安装焊炬上。
在该条件下，计箅区域的动量与能量边界条件如表1所示。
表1计算区域的能量与动量边界条件2外加纵向磁场TIG焊接熔池流体流动与传热行为2.1焊接熔池流体流动与传热过程焊接熔池流场如所示。
LD10CS焊接熔池流场LD10CS焊接熔池温度场从可见，在负表面张力温度梯度的作用下，液态金属依然沿径向向外的运动方向流动，最大流速出现在焊接熔池表面；流体环路的涡旋中心位于半熔池的中心部位；沿熔池表面向边缘运动的强烈直流潮，使焊接熔池宽度的增大远大于深度的增加。所示为此时焊接熔池的温度场。从可见，整个焊接熔池内温度分布比较规则，在靠近焊接熔池中心区域的温度较高，边缘温度较低。熔池内液态金属的轴向温度梯度比径向温度梯度大，径向温度变化较平缓，焊接熔池的等温线呈现出宽而浅的特征2.2焊接熔池流体歧T向速度4对于外加纵向磁场TIG焊接熔池流体流动与传热过程，它与普通无外加磁场TIG焊接过程相比，最重要的区别是在外加纵向磁场的作用下使TIG焊接培池中的液态金属存在绕对称轴（oz轴）的旋转运动，其速度为匕，正是由于焊接培池液态具有该方向流动致使焊接恪池产生剧烈的搅拌作用，而该作用对外加纵向磁场TIG焊接接头质量产生重要的影响。因此，必须对焊接溶池流体的该运动方式进行专门研究。
为焊接时间为Is时匕的等速线，匕方向垂直于对称平面（如示是垂直于平面％/），在普通TIG焊接条件下不存在。是外加纵向磁场作用的结果，是外加纵向磁场TIG焊接培池流体流动的特有性质。因此，外加纵向磁场TIG焊接培池流体流动行为比较复杂，其数值分析的难度也大大增加。
由可见，从焊接培池底部到熔池表面，液态金属相对于对称轴的旋转速度。逐渐增大，。等速线为半环形，在焊接熔池的表面中心附近出现最大值，等速线在焊接馆池底部较密集，表明匕轴向衰减梯度较本匕等速线的分布特点表明：对于LD10CS铝合金焊接工件材料，施加于焊接熔池上方的外加纵向磁场使TIG焊接电弧旋转，同时使熔池流体受到附加电磁力的作用，焊接恪池流体出现搅拌式运动。
3结论建立了外加纵向磁场TIG定点焊接熔池流体流动与传热过程的瞬态数学模型。
该模型不仅考虑了电磁力等流体流动驱动力的影响，而且考虑了外加纵向磁场的附加电磁力，使之更接近外加纵向磁场TIG焊接实际。
外加纵向磁场的引入使TIG焊接熔池流体流动状态发生了根本性的变化，与普通TIG焊接熔池流体流动相比有显著的区别。在外加纵向磁场的作用下，焊接培池呈现“宽而浅”的形状；从溶池底部到表面，熔池中的液态金属相对于对称轴奴T向的旋转速度匕逐渐增大，在焊接熔池表面附近流体。速度整体最大，。等速线在焊接熔池底部较密集，即。轴向衰减梯度较大。
本文所建立的外加纵向磁场TIG流体流动数学模型及其数值分析方法可以准确模拟外加纵向磁场TIG定点焊接溶池流体流动及传热过程。
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