考虑自由表面下的A-TIG与TIG焊的糊状区演化分析

SUS304 不 锈 钢 的 液 相 点，1723K 为 固 相 点。所以绿色的区域就为糊状区，从 TIG 焊不同时间下糊状区的变化可以看出，TIG 焊在冷却过程中，整个凝固时间为 0.38s， 并且熔池是由内部向外部进行凝固，最后 的液相存在于表面。
A-TIG 焊的熔池形状为如图 2 所示，熔 池形状成窄且深的形状，这是因为在 A-TIG 焊熔池中，马兰戈尼流是从边缘向中间移动， 导致中间来自于电弧的热被带到了熔池底部， 从而形成深的熔池。从 A-TIG 焊不同时间下 糊状区的变化可以看出，A-TIG 焊在冷却过 程中，整个凝固时间为 0.68s，远大于 TIG 焊 的凝固时间，并且熔池是由边缘向内部进行 凝固，最后的液相存在于熔池中心，容易产 生缩孔现象。
1 数学模型
1.1 基本假设 熔 池 数 学 模 型 的 基 本 假 设 如 下：（1） 熔 池 中 的 高 温 金 属 流 动 为 层 流、 不 可 压 缩 的 Newton 流 体；（2） 采 用 半 椭 球 体 体 积 热 源 分 布， 高 斯 分 布 的 电 流 密 度；（3） Boussinesq 假设成立；（4）除表面张力、热 导率和粘度外，其余热物理常数与温度无关。 1.2 控制方程 根据 1.1 的基本假设，在笛卡尔坐标系 下建立三维熔池模型，得到下列质量连续性
（6）
在计算单元网格取平均值，即为该单元 内流体金属所在的体积分量。当 F（x,y,z） =1 时，代表整个单元格均是液相；当 F（x,y,z） =0 时，代表整个单元网格内全是气相；当 0<F（x,y,z）<1 时，代表该单元内既有液 相的存在，又有气相的存在，而气液之间分 界面就是所谓的自由表面。
关键词：焊接；自由表面；糊状区
随着科技的发展，金属材料的种类越来 越多，传统的黑色金属已经不能够满足人们 对生活的日常要求，越来越多的有色金属和 不锈钢进入我们的社会生产中。金属需要进 行有效的结合，才能被人们所应用，而焊接 就是连接金属的有效方法。而在众多的焊接 方法中，钨极氩弧焊（Tungsten Inert GasTIG）的出现，使人们可以对不同金属或异种 金属进行焊接，并且钨极氩弧焊的焊缝成型 性好并具有优良的力学性能，所以，一直被 广泛的学者关注。
TIG 焊焊缝的性能虽然优越，但是 TIG 焊一般用于焊接薄板和打底焊，无法在中厚 板中使用。而 A-TIG 焊就是在 TIG 焊的基 础上，进行活性元素的导入，使其增加成倍 熔深的一种方法。A-TIG 焊是一种高效焊接 方法，它是在焊接过程中引入适量的活性元 素，再活性元素改变焊接电弧和焊接熔池的 行为。活性元素根据不同的机理对电弧和熔 池进行作用，最终使熔深成倍的增加，明显 的提高焊接效率。
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考虑自由表面下的A-TIG与TIG焊的糊状区演化分析
李慧 宁夏理工学院机械工程学院 宁夏省石嘴山市 753000
摘 要：钨极氩弧焊不仅可以焊接多种金属而且焊缝性能好，但是它不能对中厚板进行焊接。而 A-TIG 焊就可以 弥补这个缺点，进行中厚板的焊接。本文针对 SUS304 不锈钢建立三维 TIG 及 A-TIG 焊接熔池模型，通 过对糊状区的演化进行分析，发现两者在冷却过程中，TIG 焊凝固是从内向外凝固，而 A-TIG 焊则是由 边缘向中心凝固。
的熔深较深。在图 1 中的绿色区域的温度在 1670K 至 172相点。所以绿色的区域 就为糊状区，从 TIG 焊不同时间下糊状区的变 化可以看出，TIG 焊在冷却过程中，熔池边缘 先冷却，随后，熔池中心才逐渐凝固。
高温下大电流（200A）TIG 焊的熔池 形状为如图 1 所示，熔池形状成宽且浅的 形 状， 这 是 因 为 在 TIG 焊 熔 池 中， 马 兰 戈尼流是从中间向边缘移动，导致中间来 自于电弧的热被带到了边缘，从而形成宽 的熔池。而又因为是大电流下的熔池，中 间部位的热没有充分的扩散到周边位置， 还留有一部分的热量在中间，以至于中间 部 位 的 熔 深 较 深。 在 图 1 中 的 绿 色 区 域 的 温 度 在 1670K 至 1723K， 而 1670K 为
（5）
式中 u,v,w 分别代表 x,y,z 方向上的速 度；ρ 为金属的密度；μ 为液态金属的动力 粘度系数；Cp 为定压比热容；λ 为导热系数； P 为流体内部的压力；T 为温度；Sx,Sy,Sz 分 别表示 x,y,z 三个方向上的动量源项；ST 为 能量方程的源项。
1.3 自由表面追踪 熔 池 自 由 表 面 的 形 态 变 化 是 VOF 算 法 进 行 跟 踪， 该 方 法 引 入 了 流 体 体 积 分 数 F （x,y,z），该参数表面单位体积内流体所占 的比例大小，方程如下：
当活性 TIG 焊应用到不锈钢中时，认为 熔深的增加是基于活性元素的引入，使熔池中 的液态金属所具有的负的表面张力温度系数 改变成正的表面张力温度系数，熔池流动方
向发生改变，并对熔池起到挖掘的作用，从 而成倍的增加熔深。在 20 世纪末期 S.Kou[1-2] 等人针对 TIG 焊建立了最早的三维熔池准稳 态模型，研究熔池内部液态金属的流动行为。 赵朋成 [3-4] 等人建立了三维 GTAW 全熔透熔 池的移动模型，并综合考虑了全熔透熔池的 上下表面的变化，并对它们的微量变化进行 了整体的研究，并得出上下表面的熔池中液 态金属的变化规律。本文利用 VOF 的方法 去追踪自由界面的表面变形行为，并分别对 TIG 与 A-TIG 焊缝中的糊状区的演化进行研 究，掌握它们之间的变化规律，对冷却条件 下控制熔池的流动研究进行铺垫。
方程、动量和能量方程的控制方程： （1）
（2） （3）
（4）
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