考虑自由表面下的A-TIG与TIG焊的糊状区演化分析

李慧

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。

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ATIG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。ATIG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。

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ATIG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。

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方程、动量和能量方程的控制方程：

式中u，v，w分别代表x，y，z方向上的速度;p为金属的密度;“为液态金属的动力粘度系数;C。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，S，S7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：

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榀当F（x，y，z）-0时，代表整个单元网格内全是气相;当O

2 计算材料及区域

本文所使用的材料为SUS304不锈钢，计算区域为16mm×20mm×lOmm，其中气相计算域尺寸为16mm×20mm×2mm，金属相计算域尺寸为16mm×20mm×8mm。由于整个区域关于XZ面和YZ面对称，所以为了减少计算量加快计算速度，所以只计算四分之一的区域。因为考虑自由表面的微量变形，所以在气相与金属相之间的界面加密网格。计算中的时间步长设为10-5s。

3 模拟结果及讨论

高温下大电流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。而又因為是大电流下的熔池，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，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l中的绿色区域的温度在1670K至1723K，而1670K为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。

ATIG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ATIG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ATIG焊不同时间下糊状区的变化可以看出，ATIG焊在冷却过程中，整个凝固时间为0.68s，远大干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。