TIG焊电弧-熔池传热与流动数值模拟.pdf

学兔兔 第 51卷第 10期 机 械 工 程 学 报 VO1．5l NO．10 2015年 5 月 JOURNALOFMECHANICALENGINEERrNG M ay 20 15 DoI：1O．3901／JME．2015．1O．069 TIG焊 电弧一熔池传热与流动数值模拟木 王新鑫 樊 丁 ，2 黄健康 ，2 黄 勇 ，2 (1．兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 兰州 730050； 2．兰州理工大学有色金属合金及加工教育部重点实验室 兰州 730050) 摘要：针对钨极惰性气体保护(Tungsteninertgas，TIG)焊，采用一组满足整个求解域的偏微分方程组和合理的边界条件，建 立包括钨极、电弧和母材的三维瞬态统一模型。以SUS304不锈钢为母材，求解获得电弧一电极f熔池)的温度场、流场、压力、 电流密度、电磁力等结果，并与已有的试验结果和其他相关的研究结果做对 比。在此基础上，通过分析阳极热输入，求得焊 接热效率为86．3％。重点比较浮力、电磁力、等离子流拉力和Marangoni剪切力单独作用下的熔池流动特性，并将计算结果 和格拉晓夫数 G，、磁雷诺数Rm和表面张力雷诺数Ma相结合，分析了这几种驱动力的相对作用大小，将计算结果和Peclet 数 尸P相结合强调了熔池热对流与热传导的相对作用。结果表明，与等离子拉力和Marangoni剪切力相比，浮力和电磁力对 熔池对流的作用较小；等离子拉力和Marangoni剪切力处于同一数量级，而Marangoni剪切力大于等离子流拉力，两者共同 作用使熔池表面金属由内向外流动。与热传导相比，熔池金属这种向外流动导致的热对流主导传热过程，是造成 TIG焊宽 而且浅的焊缝形貌的本质原因。 关键词：钨极惰性气体保护焊；统一模型；相对作用；流动；传热 中图分类号：TG404 NumericalSimulationofHeatTransferandFluidFlow forArc．weldPool inTIG W elding W ANG Xinxin1 FAN Ding1，2 HUANG Jiankang1，2 HUANGYong， (1．InstituteStateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon—fe~ousMetalMaterials， LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050； 2．KeyLaboratoryofNon—ferrousMetalAlloysofM inistryofEducation， LanzhouUniversiytofTechnology,Lanzhou730050) Abstract：Basedonasetofpartialdifferentialequationsandreasonableboundaryconditions．aunifiedthreedimensionaltransient modelincludingthetungstenelectrode，arcplasmaandbasemetal(weldpoo1)isdevelopedfortungsteninertgaswelding．By solvinghteequations，htetemperature，velocity,arcpressure，currentdensiyt andelecrtomagneticforceofthewholedomainare obtainedwithallanodeofSUS304stainlessstee1．Thecalculatedresultsarecompraedwiththeexistingexperimentalandtheoretical da