埋弧焊接过程的三维计算流体动力学模拟分析外文翻译资料

 2022-09-06 14:48:03

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埋弧焊接过程的三维计算流体动力学模拟分析

作者Dae-Won Cho， Woo-Hyun Song ， Min-Hyun Cho， Suck-Joo Na

摘要：焊枪角度和电流极性对单丝埋弧焊的对流传热的影响已经被分析过了。为了建立电弧模型，比如电弧热流动，电弧压力和磁力。这篇研究使用了阿贝尔变换方法和CCD相机影像分别进行了直流和交流的实验。熔渣的热传导在数值模拟中被认为是额外添加的边界热源。电弧力的变化，带极小颗粒的飞溅还有焊枪角度显著地影响了熔池的反应和焊缝的性能。这篇模拟熔池的论文有相应的实验数据结果，证明了这个结论是无误的。

  1. 介绍

埋弧焊（SAW）是一个非常复杂的过程，包括了物理和化学变化。此外，也很难仅用数值模拟研究整个埋弧焊过程。然而，焊缝区和热影响区（HAZ）可以使用有限元法（FEM）来估计分析对流传热。模型化的多丝埋弧焊的厚壁线管和在各种焊接条件下计算的热分布。Mahapatra预测了使用三维模拟单层焊对接接头的温度分布场和角变形。Sharma提出并通过使用不同电极的直径和极性证实了双丝埋弧焊的体热源分布。Kiran模拟了三维的V形坡口的串联埋弧焊过程，并使用了有限元法限定了多种焊接条件。然而，这些使用了有限元法的研究只考虑了热传递效应的作用并不能完全解释曲面焊缝区的尖端渗透。

为了克服这些缺点，流体动力计算（CFD）被广泛地用来研究熔池反应和最终的焊缝区，因为它更接近真实的焊接过程。考虑到熔池流动的重要性，很多的研究者开始尝试去分析热传导和流体压力。Kim计算了对流热传导并分析了熔化极气体保护焊（GMAW）的温度分布场，他得到了热数据并分析了多种条件下钨极氩弧焊（GTAW）的熔池压力。然而，这些研究都假定了焊接过程在一个准稳态的条件下进行的。因此，很难去近似的规定滴液和交流电弧的变化。

所以，使用瞬态分析法来分析焊接模拟是十分必要的，因为他能洞察到模拟中的自由表面变化。有一种瞬态分析法叫做体积流动法（VOF），这种方法能够追踪熔池的表面；因此，电弧等离子体的可变模型能够在模拟中实施。Cho通过绘制坐标计算了钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊的磁力（EMF），并将它们使用到了动态熔池的特征和成型的焊缝区的商用模拟软件中，该软件名为FLOW-3D。得到了体积流动法的好处，Cho能够计算不稳定的熔池压力形式，比如驼峰形，GMAW的V形坡口过压型。Cho使用了电弧等离子体的热流区在钨弧焊，使用了阿贝尔变化方法，并将其使用到了体积流动法预测焊缝区中。此外，更加复杂焊接过程也能过通过使用体积流动法来计算。Cho和Na进行了激光焊接的模拟，其中包括了多重反应和气孔形成。此外，Cho和Na在2009年进行了三丝激光气体混合焊接，其同时采用了激光焊和熔化极气体保护焊。Han在2013年完成了钨极氩弧焊熔池动态的影响因素的研究。体积流动法也能够用来描述合金元素的流动和激光气体混合焊中的气孔形成。这篇论文认为热传导中熔渣作为热传递的输入，并提出了一个新方法来描述单电极埋弧焊的过程，并使用了流体动力计算。

  1. 埋弧焊的特点

图1展示了埋弧焊的示意图，为了能够理解以下几点：（1）液体和熔渣覆盖了全部的焊缝区；（2）制造的流体墙保护了液体的空穴。

图1 埋弧焊的原理图

尽管很难去观察埋弧焊的热传导，但一些以前的研究成功地得到了埋弧焊中液滴的运动。Franz和Van Adrichenm观察了金属流动通过了一个陶瓷管，使用X射线拍摄并得知液滴的运动轨迹在自由运动的情况下到了熔池区内，或者计划斜向地撞击熔池流体墙。这种金属流动的现象也由此被称为流体墙指引传导（FWG），如图2所示

图2 埋弧焊中的FWG流动

在埋弧焊过程中，一小部分的流体被熔化和消耗了，Chandel发现流体消耗有3个原因：（1）熔池金属的传导；（2）电弧的发散；（3）熔渣的热阻。然而，他们自身对流体消耗的影响仍然不明。无论如何，总体的流体消耗能够通过测量使用的流体重量来确定。Renwick和Patchett分析了焊接的因素和流体消耗的关系，发现流体消耗最初随着电流的加大和增加，达到一个最大值后开始减少。Chandel在1998年也测量了埋弧焊的流体消耗在多种不同的焊接条件下，表明流体消耗达到最大值时一般在500A，电流再升高时，流体消耗就会减少，如图3（a）所示。在高电流下的减少导致了液滴尺寸的减小。因此，液滴和流体墙的接触面积减小了，如图3（b）所示。简而言之，FWG传导很难被观察在高电流下，传导的喷雾方式能够被期望考虑到于高电流的埋弧焊中。

图3（a） 在32V直流电时电流和流体消耗的关系

图3（b） 电流和金属流动的关系

  1. 数学公式

为了准确地描述液滴的体积，以前的研究使用了至少4个网格。因此，本论文使用了0.4mm/格的网格来高效的描述液滴体积和熔池压力。在模拟中，焊接开始于x轴的1.5cm处。

3.1、控制方程

在CFD模拟中的控制方程韩接熔池涉及到了大量的守恒方程，动量守恒方程，能量守恒方程。商业型的FLOW-3D用来模拟 VOF方程。材料性能和变量在表2中给出。

动量方程：

（1）

连续性方程：

（2）

能量方程：

（3）

（4）

VOF方程：

（5）

表1 模拟使用的焊接条件

编号

电流类型

电流（A）

电压（V）

焊枪角度（°）

送丝速度（m/min）

焊接速度（cm/min）

线能量（kj/cm）

1

直流

1000

32

-20

2.24

140

13.7

2

直流

1000

32

20

2.24

140

13.7

3

交流

900

35

-20

3.24

140

13.5

图4 等离子电弧的热传导，液滴和熔渣移动到试样表面

图5 电弧等离子体图像处理

图6 使用阿贝尔变换法的埋弧焊电弧热流体模型

3.2、限制条件

熔池表面的对流，辐射，蒸发过程中没有热量的流失，因为流体和热量覆盖了整个焊缝区的表面，如图1所示。在埋弧焊中，熔渣的热输入进入到熔池中，然后又从熔池中流失到了熔渣中，这个热循环的输入和输出能够视为熔渣的传导（qs）并成为能量守恒的条件在公式6中。

（6）

Christensen发现埋弧焊的热效率固定在0.90到0.99之间，很多研究都使用0.95的热效率在数值模拟中。本论文也使用了0.95的效率，并认为热传导是来自电弧等离子体，进入熔池的熔滴和熔渣如公式（7）和图4所示

（7）

自由表面使用了压力边界条件如公式（8）所示

（8）

3.2.1、熔滴模型

熔敷效率取决于焊丝送丝速度，可以用公式（9）-（11）计算出来。在试样1和试样2中，熔敷效率大约为0.19，而试样3中熔敷效率为0.26。

（9）

（10）

（11）

3.2.2、电弧热模型

埋弧焊的电弧等离子体形状很难去定义。因此，本论文假设了一些条件来使用电弧热流体分布。

  1. 电弧等离子体的形状在流体（A）中与流体（B）中分离出去的十分相似（在50ms内）
  2. 金属蒸汽在电弧等离子体中被忽视

使用如图5所示的电弧等离子体形状后，使用阿贝尔变换法来引起电弧热流体模型成为了可能。Cho和Na在2005年提出了一个快速而精确的阿贝尔变换法使用了面积矩阵，同时使用了轴对称和椭圆对称等离子体模型。Cho建模了一个电弧热流体通过使用CCD相机和阿贝尔变换法，并验证了这个模型通过使用CFD模拟的钨弧焊过程。类似的，这次研究使用了阿贝尔变换法和高速CCD摄像机并使用了电弧热模型如图6所示，从步骤（a）-（e）展开，这个电弧特性建模过程如下：

  1. 用CCD摄像机捕捉一个电弧等离子体横截面
  2. 获得在材料表面的0.1毫米以上的电弧等离子体的光强度。
  3. 利用阿贝尔反演方法计算电弧等离子体的辐射强度
  4. 使用福勒–米尔恩法得到电弧等离子体的温度分布在0.1mm以上的材料
  5. 用电弧等离子体有效半径的非对称高斯分布电弧热源模型

图7（a） -20°

图7（b）20°

图7 电弧等离子体不同于焊枪方向 直流电

（12）

  1. 电流

  1. 电弧形状

图8 不同的电流和电弧形状在一个循环内在试样3中

本论文利用一个电弧热模型具有高斯分布不对称假设不同温度分布于左和右两部分。因此，在公式（12）中电弧等离子弧热模拟的2个不同的有效半径。

3.2.2.1单直流电源（DC）。不同的焊枪角度造成了不同的电弧等离子体形状如图7所示。因此，电弧热模型使用了高斯分布不对称电弧等离子体，使用了冲量能够由于焊枪角度的改变而改变。

3.2.2.2 单交流电源（AC）。在交流电源焊接模型中，电荷的移动发生可逆的变化，故焊接的标志（电流、电压）由霍尔传感器和结果电弧等离子体如图8（b）所示。为了电弧热源建模，负极信号必须被切换到正极信号因为电弧等离子体来自负极信号能够传输能量到材料表面在试验中，而负极信号在模拟中几乎没有传输能量到材料表面。由于电压的最大值比图9中的大，可能说电弧尺寸可能对电压比电流敏感。并且，负极信号可能来自大电弧如图10所示。公式（13）-（16）表示了电压，电流，弧的有效半径在这个模拟中所用的。

（13）

（14）

（15）

（16）

  1. 电流

  1. 电压

图9 交流电电流和电压来自实验试样3的数据

图10 试样3中电弧的有效半径

  1. 试样1熔渣热效应范围

  1. 试样1的电弧热 熔渣热

图11 材料表面的热输入

（a）0.528s

图12 确定的温度区间压力模式作用于纵向分布区在熔滴中产生

（a）0.598s

（b）0.876s（冲击开始0.5s后）

图13 试样1中确定的温度区间和压力模式在横向分布上（x=2.4cm）

图14 试样2确定的温度区间和压力模式在纵向分布在熔滴冲击中产生

（b）0.876s（熔滴冲击发生5s后）

图15 试样2确定的温度区间和压力模式在横向分布（x=2.4cm）

表2 模拟中使用的符号

图16 单直流模拟实验中结果的对比

图17 试样3中瞬时电流信号和熔滴代数

3.2.3、熔渣热源模型

流体的消耗量和焊接过程中熔渣生成量相同。因此，假设熔渣是有一部分电弧热能量产生的，熔渣作为材料表面的热源，尺寸和熔敷效率能够被确定使用流体消耗，具体的热量和熔化的流体温度在公式（17）中。

（17）

在图3（a）中，有可能发现流体消耗在高电流时使用的是走势图。流体消耗大约为1.73g/s。因此，熔渣热熔敷效率大约为0.05在试样1中和试样2中。此外，流体消耗量在试样3中为2.2g/s，考虑到流体消耗在EN和EP中的主要意义。因此，熔渣热效率 大约为0.07.本论文假设熔渣热输入的分布在材料表面是椭圆形的。因此，他可以表示在公式（18）和公式（19）中。固体熔渣厚度的主要意义是在埋弧焊之后3mm。因此，本论文使用了一样如同熔渣圆形厚度的意义。图11表明了熔渣热和电弧热分布在材料表面，显然熔渣热流体比电弧热更低。

（18）

（19）

(18)

(19)

3.2.4 电弧压力模型

Cho在2013年展示了电弧压力和电流密度的线性关系在物理背景下。因此，电弧等离子体的压力能够被建模通过高氏

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