薄板在CO2气体保护焊电弧作用下的温度场模拟

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　　摘要：近年以来，由于模拟技术的成熟，各种新型焊接方法的的模拟层出不穷，可是对于传统的CO2气体保护焊的模拟研究却比较少，本文就在这样的背景下基于CFD技术，使用Flent软件对最常用的Q235薄板在二氧化碳气体保护焊温度场作用下的基本情况进行了模拟，分析了CO2气体保护焊温度场的基本情况结合对CO2气体保护焊电弧高速摄影影像的结果，得到了受到焊接影响下的能量分布情况、过渡形式等。证明了本文所建的模型具有一定研究价值。
　　关键词：温度场；CO2气体保护焊；模拟，Q235
　　1.课题背景及意义
　　二氧化碳气体保护焊是一个已经相对成熟的焊接方法。而传统的研究多以实验的方法进行研究，使用数值模拟研究的方法来研究这个领域的实例比较少，本文将基于Fluent流场模拟软件来进行对二氧化碳气体保护焊温度场情况的模拟，考虑到实际情况过于复杂，我们简化了一些参数，整体过程控制在可接受的范围内。能充分的体现气体保护焊温度分布的特点，使我们能更好地认识、研究气体保护焊过程中的各种情况。从温度场角度揭示气体保护焊材料的成型过程。
　　Fluent概述。FLUENT主要优势在于可以提供多种多样的网格划分模式。这样使用者根据所模拟的情况不同选择使用不同类型的划分方式，使模拟结果更贴近于实际。Fluent不可或缺这三个步骤包括：前处理软件后期处理软件和求解。由于技术水平，我们本次采用GAMBIT作为模拟的前置处理软件，进行几何建模，在Fluent中导入网格化的模型求解。
　　2.简化条件
　　首先，我们假定流体是牛顿流体，处于不可压缩状。然后，我们忽略焊接过程中辐射换热造成的二次热吸收。忽略弧压力等复杂的作用力。假设焊接材料本身是水平面，焊缝区域也不因发生加热而变成凹凸不平面。假定热源的分布规律是一个中间集中，而周围较少的正态分布，即高斯分布；建立几何模型。我们研究的主要材料为q235钢，我们取一块4*50*80mm的q235钢板进行模拟。将这个规格输入GMABIT之中，得到了一块几何体，对这个几何体划分网格。由于这个几何模型是一个非常标准的六面体，我们采取与它本体更为接近的六面体网格划分法来将其网格化，我们采用了网格自适应；热源模型的制定。我们在这次研究中所采用的薄板，可以简化为一个平面所以我们采用面热源，同时采用了高斯分布作为这种热源的模型；边界条件。我们假设工件在室温下进行工作，室温为20摄氏度左右，为计算方便取整K氏温度300，假设工件换热方式只有对流换热和辐射换热两种，忽略其他换热过程，假设工件温度输出点从工件底部的中心点开始，沿直线运动到工件顶部中点，工件向周围散热忽略。
　　3.结果与分析
　　通过高速摄影过程的分析可以得知，中心部分为焊丝熔化，焊丝下方的部分是熔池，通过对焊接熔池形态的观察我们发现电弧搅拌了焊接熔池使其呈现沸腾状态。焊接过程中通过焊材温度的測量2457k，初步认定这个温度就是二氧化碳气体保护焊接过程的最高温度。
　　结合以上结果采用Fluent软件对被焊工件加以模拟，使用上文中介绍过的简化模型作为焊接的工件与热源模型，得到结果将被焊件分成11个区域，由10条线划分，这些线是等温线，等温线就是把一个区域上温度一致的各个点连接到一起形成的线，两条等温线之间的温度介于两线显示的温度范围之间，所有的等温线不可以相交整个焊接温度场区域产生了明显的“拖尾现象”，而温度场前端等温线极为密集，可以明显的发现这个焊接过程中焊接作用范围比较小，温度梯度大。
　　在本实验中使用CO2气体保护焊焊丝直径取0.8mm，焊接电流取120A，焊接电压取20V，由公式计算可知这种模型下的能量输出不会将被焊工件烧穿，焊接速度10mm/s。通过二氧化碳气体保护焊温度场稳定状态下的示意图，我们可以看出二保焊过程中图像形状类似“倒置液滴”的形状，焊接过程中随着焊丝的前进，焊接局部区域的板材融化形成焊接熔池。由于熔池是液化金属形成的，它的基本形态是一个液相状态，这个液相状态的焊接熔池形成在焊丝周围，由于液相对焊丝的阻碍比固液混合小，所以焊丝处于熔池比较靠前的位置。温度场分布不均匀，过渡的区间较小。焊丝身后的熔池是液体，它对此区域起到存在保温的作用，而焊丝前方的区域是未融化的金属，该区域内的金属吸热融化，使得该区域温度升高速度比较慢。所以温度场整体是以焊丝为中心前方短而宽，总的来说这种形态是由于对流换热造成的。
　　通过焊接热循环曲线可以看出这个区域温度梯度的下降情况，来看整个焊接区域核心区域温度2470k，接下来占1500k以上液项区域约宽3mm，而根据温度分配情况我们可以发现整个焊接接头区域的影响范围宽度约为10mm，区域内温度下降速度非常快，存在很大的温度梯度，以至于整个区域之中的气体不能充分释放大大提高了该区域产生气孔的可能性。
　　在二氧化碳气体保护焊的过程中能量损失的部分约为34%。我们可以发现作用于板材上的热量首先融化了上层金属，直到整个焊缝区域的金属融化成液体，在电弧的搅拌作用下不断流动，这些金属液体又向下继续传热使下层金属融化，同时向周围金属传热。而其他不能融化的区域金属升温较慢，温度提升速度也比较小，可知这个区域没有受到电弧的直接加热，传热的主要形式为热传导，它的传热速度要小于对流换热。
　　4.结论
　　采用了CFD模拟软件Fluent对最常见的CO2气体保护焊建立了三维的薄板模型，以及高斯热源模型，得出了温度场分布。通过高速摄影了解了过渡形态。电弧在焊接过程中非常不稳定，不断跃迁。模拟结果显示模型中CO2气体保护焊焊接过程温度最高为2470k，温度场分布呈现“液滴”形状，熔池区温度下降速度远远快于其他金属区域，分析可知其温差梯度大。结合高速影像我们发现，焊接过程通过电弧和熔滴将热量传入板材，焊缝区域传热形式为对流换热，其他未融化金属区域则主要是热传导，故焊缝区域整体温度提升极快。可以判断焊接过程中绝大部分的能量主要消耗在这个区域用以熔化金属形成熔池。
　　参考文献
　　[1]高洪明.双面电弧焊接熔池温度场与流场数值模拟及其机理探讨[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学.2001
　　[2]张亚斌.基于Fluent的铝合金电子束深熔焊三维流场数值模拟「D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.
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