李 桓，丁雪萍，楊立軍，高 瑩

(1.天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

基于F l u e n t的G M A W焊接熔滴過渡過程的動態(tài)模擬

李 桓1，丁雪萍1，楊立軍1，高 瑩2

(1.天津大學(xué) 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點實驗室，天津 300072；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222)

利用計算流體力學(xué)商業(yè)軟件Fluent模擬熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)焊接過程的熔滴脈沖過渡中一脈一滴和兩脈一滴的過渡形式。建立了基于流體動力學(xué)和電磁理論的熔滴過渡的數(shù)學(xué)模型，模擬了熔滴形成、長大和脫落的過程。同時進(jìn)行同等參數(shù)下的焊接試驗，利用高速攝像系統(tǒng)拍攝了熔滴過渡的動態(tài)過程。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合。熔滴一脈一滴的過渡形式主要受焊接電流的影響，利用模擬的方法可以大致給出范圍，指導(dǎo)焊接試驗，從而減少試驗量。

熔滴過渡；動態(tài)模擬；Fluent；高速攝像

0 前言

GMAW(Gas Metal Arc Welding，熔化極氣體保護(hù)焊)具有優(yōu)質(zhì)、高效、熔敷率高等特點，是目前工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一。熔滴的形成、尺寸、過渡模式等是影響其焊接穩(wěn)定性、熔池熔深、焊縫成形和焊接質(zhì)量的重要因素。到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開了許多針對熔滴過渡的研究，至今形成的理論主要有靜力學(xué)平衡理論[1]、收縮不穩(wěn)定理論[2]、“質(zhì)量-彈簧”理論[3]、流體動力學(xué)理論[4]等，已經(jīng)基本對熔滴過渡行為的作用機(jī)制和各因素的影響規(guī)律有一定的研究。但是研究方法多集中于用有限差分法和有限體積法進(jìn)行編程實現(xiàn)，難度較大。本研究利用計算流體力學(xué)商業(yè)軟件Fluent實現(xiàn)了對熔滴脈沖過渡中一脈一滴和兩脈一滴形式的模擬。Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，廣泛應(yīng)用于流體、傳熱和各種化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)工業(yè)。軟件包括前處理器(利用Gambit進(jìn)行物理建模、網(wǎng)格劃分和劃定邊界層條件)、求解器(根據(jù)專業(yè)條件不同，采用不同的求解器，并規(guī)定物性、外部工作環(huán)境和進(jìn)行數(shù)值迭代)和后處理器(把一些數(shù)據(jù)可視化，滿足用戶的特定要求)。同時為驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了同等參數(shù)下的焊接試驗，利用高速攝像拍攝熔滴的過渡過程。結(jié)果表明，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

1 數(shù)值模擬

1.1 物理模型

熔滴在焊絲端部熔化形成、長大、脫離的過程類似于以一定速度從一細(xì)管中流出的水流。因此可假定焊絲為細(xì)管，熔滴為細(xì)管內(nèi)的流體，利用Fluent中兩相流VOF模型實現(xiàn)對該熔滴過渡下落過程的模擬。建模計算區(qū)域如圖1所示，區(qū)域A即x軸以上區(qū)域為鋼液，其直徑相當(dāng)于焊絲直徑1.2 mm，區(qū)域B即x軸以下區(qū)域為空氣。

圖1 數(shù)值計算物理模型

1.2 建模理論

為便于模擬熔滴過渡的復(fù)雜過程，提出以下假設(shè)：(1)熔滴過渡是一個二維問題；(2)液態(tài)金屬不可壓縮；(3)液態(tài)金屬的物性參數(shù)恒定。

流體均滿足質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程[5]

式中 ρ為流體密度；u、v分別為x、y方向速度分量；μ為液態(tài)金屬動力粘度系數(shù)；p為流體內(nèi)壓力；t為時間；fx、fy分別為體積力在x、y方向分量。

對于熔滴過渡的模擬利用Fluent兩相流模塊中的VOF模型追蹤自由表面的變化。VOF方法中引入了一個函數(shù)即單元格流體體積函數(shù)F(x，y，t)，該函數(shù)代表每單元格內(nèi)的流體體積。在該模型中利用F來捕捉氣液兩相界面隨時間的運(yùn)動狀態(tài)，通過求解F的連續(xù)性方程可以追蹤到氣液分界面隨液體運(yùn)動時的變化軌跡，由此記錄氣液兩相流體的運(yùn)動狀態(tài)。其中F滿足連續(xù)性守恒方程[6]

如果F＝1，表示單元格中充滿流體；F＝0，單元格中沒有流體；0＜F＜1，流體表面位于單元格中。

熔滴在長大及過渡過程中還受到力的作用，其中經(jīng)?？紤]的四種力為：重力、電磁力、等離子流力均促使熔滴過渡，表面張力阻礙熔滴過渡。

熔滴所受重力為

式中 R為熔滴半徑；g為重力加速度。

根據(jù)洛倫茲力定律，電磁力[7]可表示為

式中 J為電流密度；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。

假設(shè)熔滴上的電流密度是均勻的，則作用在熔滴上總的電磁力可表示為

式中 I為焊接電流；μ0為真空磁導(dǎo)率；R為熔滴半徑；r為焊絲半徑；θ為電弧半錐角。

表面張力為

式中 α為焊絲半徑；γ為液體金屬表面張力系數(shù)。進(jìn)行模擬計算所需要的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模擬計算主要的物性參數(shù)

1.3 邊界條件

所有壁面均采用無滑移壁面邊界，即在壁面上無物質(zhì)和能量的損失。入口邊界條件設(shè)置為以送絲速度為速度；在出口處設(shè)定為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的出口邊界條件，第二相的回流體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0，即表示鋼液從出口流出后不會返回計算域參與計算。

2 結(jié)果和討論

2.1 計算結(jié)果分析

脈沖電弧焊中，不同的焊接電流對熔滴過渡形式產(chǎn)生影響。針對熔滴脈沖過渡形式以兩組參數(shù)為例進(jìn)行了模擬，分別為一脈一滴(例一)和兩脈一滴(例二)，模擬時采用脈沖占空比為30%，頻率為50Hz，其中例一平均電流為170A，例二平均電流為150A，電流波形如圖2所示。為了考察一個完整的脈沖周期中基值階段和峰值階段電流對熔滴過渡的作用，設(shè)定脈沖電流波形0～12 ms為電流基值階段，12～18 ms為電流峰值階段，18～20 ms返回電流基值。在此規(guī)定，在前一熔滴過渡之后，焊絲端部變平的時刻為下一周期脈沖的開始時刻。

圖2 數(shù)值模擬中脈沖電流波形示意

例一(一脈一滴)的熔滴過渡模擬結(jié)果如圖3所示。觀察發(fā)現(xiàn)在基值階段，橢圓形的熔滴在表面張力的作用下，粘附在焊絲端部慢慢長大，當(dāng)t=12 ms時刻，有一個峰值電流約為300 A的脈沖作用在熔滴上，則熔滴明顯被拉長，形成縮頸，因峰值階段電流較大，焊絲的熔化、長大主要集中在這一段時間；在t=18 ms即脈沖峰值的最后時刻已經(jīng)發(fā)生縮頸即將脫離焊絲，脫落的熔滴飛向熔池，新的熔滴在焊絲端部再次形成，可發(fā)現(xiàn)熔滴大約在每一個脈沖峰值的結(jié)束時刻或下一個脈沖周期基值初始時刻發(fā)生過渡。

圖3 一脈一滴熔滴過渡模擬情況

圖4 兩脈一滴熔滴過渡模擬情況

例二(兩脈一滴)的熔滴過渡模擬結(jié)果如圖4所示。例二與例一相比，焊接電流明顯降低，對熔滴過渡形式造成重要影響，使得熔滴過渡由一脈一滴轉(zhuǎn)變?yōu)閮擅}一滴。分析發(fā)現(xiàn)，在初始階段即前12 ms，電流處于基值階段，熔滴慢慢長大，第13 ms進(jìn)入峰值階段，電磁力增大使熔滴變長，加速液滴金屬向下流動，但因此時促進(jìn)熔滴過渡的力較小，該熔滴并未在峰值結(jié)束時即20 ms左右發(fā)生過渡，之后電流返回基值，雖然縮頸部位熔滴的體積已經(jīng)很大，因基值階段電磁力依然很小，較小的電磁力無法克服表面張力的作用，因而熔滴未能脫離焊絲端部，熔滴中液態(tài)金屬持續(xù)向下運(yùn)動。變形的熔滴產(chǎn)生較大的表面張力，使得熔滴回縮至焊絲端部。之后熔滴中液態(tài)金屬在慣性力的作用下繼續(xù)向下流動，熔滴在焊絲的端部變得更大直到第二個脈沖到來，在第二個脈沖周期中，基值階段熔滴仍然慢慢長大，在32 ms再次到達(dá)脈沖峰值，圖4g顯示35 ms時熔滴已經(jīng)很大，導(dǎo)致表面張力保持熔滴使其粘附在焊絲端部的作用減弱，而此時因處于峰值電流階段，電磁力再次增大，綜合作用下使熔滴脫落。

2.2 試驗驗證

為了驗證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了同等焊接參數(shù)的焊接試驗。試驗中采用高速攝像系統(tǒng)拍攝熔滴過渡的情況，高速攝像系統(tǒng)如圖5所示。高速攝像系統(tǒng)中的氙燈用作背景光源削弱高亮度電弧光的干擾。氙燈發(fā)射的平行光束直徑可調(diào)，當(dāng)平行光束照射在電弧和熔滴上，從而獲得熔滴和熔池的陰影像。高速攝像機(jī)以1 000幀/s的速度捕捉圖像。

圖5 高速攝像系統(tǒng)示意

試驗參數(shù)如表2所示，例一和例二的送絲速度分別為4.5 m/min和3.7 m/min。對應(yīng)的電信號和高速攝像圖片分別如圖6和圖7所示。

表2 熔滴脈沖過渡的試驗參數(shù)

圖6 一脈一滴熔滴過渡電信號和高速攝像圖片

針對例一，比較圖3和圖6，檢驗?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確性。驗證試驗中平均電流為186 A，其中1.175～1.186s為電流基值，1.187～1.193s為電流峰值，1.194～1.195 s返回電流基值。發(fā)現(xiàn)在初始的電流基值階段，焊絲端部熔滴慢慢熔化積聚，等到達(dá)圖6h時刻，電弧亮度明顯增強(qiáng)，此時處于電流峰值階段，發(fā)現(xiàn)熔滴長大速度明顯變快，熔滴體積較之前幾毫秒明顯變大，之后在各種力的綜合作用下，熔滴縮頸過渡，與模擬結(jié)果吻合。觀察發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果中脫落熔滴直徑與焊絲直徑相當(dāng)，大約為其85%，對應(yīng)圖6l時刻高速攝像圖片，發(fā)現(xiàn)脫落熔滴直徑大約為原焊絲直徑的90%，二者誤差大致為5.56%，模擬結(jié)果中過渡一個熔滴時間為19 ms，試驗中時間為20 ms，誤差為5%，所以說模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

針對例二，比較圖4和圖7檢驗?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確性。驗證試驗平均電流為161 A，與例一相比有所減小，熔滴長大速度減緩，由于流體流動產(chǎn)生的慣性力未能足夠大促使熔滴過渡，所以在第一個脈沖周期未能實現(xiàn)過渡，熔滴只是在焊絲端部振蕩，等到了第二個脈沖峰值的時候熔滴才因為體積太大，積聚了足夠的慣性力，即主要在重力的作用下加上還有電磁力的作用克服表面張力的作用實現(xiàn)了過渡，將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果比較，吻合良好。試驗中高速攝像圖片顯示脫落熔滴直徑約為焊絲直徑的1.2倍，而模擬結(jié)果熔滴直徑等同于焊絲直徑，二者結(jié)果較為接近，模擬結(jié)果中過渡一個熔滴時間為40 ms，試驗中時間為38 ms，誤差5.26%，說明模擬結(jié)果與試驗結(jié)果大致吻合。

圖7 兩脈一滴熔滴過渡電信號和高速攝像圖片

在生產(chǎn)實踐中，一脈一滴的熔滴過渡形式是理想的焊接情況，對于兩脈一滴甚至多脈一滴的情況，效率較低，而且有時大的熔滴過渡易產(chǎn)生飛濺、焊接質(zhì)量差等問題。根據(jù)上述模擬分析可知，要想獲得穩(wěn)定的一脈一滴的熔滴過渡形式，焊接電流的影響很大，可以利用模擬的方式大致給出焊接規(guī)范的范圍精心調(diào)節(jié)脈沖電流波形，從而盡量減少試驗量，這樣有助于獲得合適的熔滴過渡形式。

盡管模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，但在以后的研究中要得到更精確的熔滴過渡分析，需要加上熱分析。這樣就會考慮到因焊接電流變化引起的焊絲熔化的變化，以及熔滴中溫度變化導(dǎo)致的表面張力系數(shù)的變化，使得模擬結(jié)果更接近實際情況[7]。

3 結(jié)論

(1)利用Fluent軟件中兩相流VOF模型對GMAW焊接中熔滴脈沖過渡過程進(jìn)行了動態(tài)模擬，而且為了驗證試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，進(jìn)行了相同焊接參數(shù)下的驗證試驗，結(jié)果表明，模擬結(jié)果與驗證結(jié)果大致吻合。

(2)熔滴脈沖過渡的過程尤其對于較為穩(wěn)定的一脈一滴的熔滴過渡的情況可以通過調(diào)整脈沖電流的波形和參數(shù)等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，利用模擬的方法可以大致給出焊接規(guī)范的范圍，指導(dǎo)焊接試驗，從而減少試驗量。

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Dynamics simulation of metal transfer in GMAW based on Fluent software

LI Huan1，DING Xue-ping1，YANG Li-jun1，GAO Ying2
(1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)

The dynamic process of pulse metal transfer mode such as one pulse per droplet and two pulse per droplets in GMAW(Gas Metal Arc Welding)is simulated by use of Fluent which is a commercial software used to compute fluid dynamics.Based on the fluid dynamics theory and electromagnetic theory，a dynamic model of metal transfer is developed and drop formation，evolution and detachment are simulated.Meanwhile the welding experiment is carried and the high-speed photography is used to record the real process of metal transfer.The results show that the simulation results are in good agreement with the experimental ones.The metal transfer mode of one pulse per droplet is mainly affected by the welding current.The range of current can be obtained by means of the simulation.So it could be used to guide the welding experiments and the experiments decrease.

metal transfer；dynamic simulation；Fluent software；high-speed photography

TG444

A

1001-2303(2012)11-0054-05

2012-06-26

國家自然科學(xué)基金資助項目(5 1 1 7 5 3 7 4)；天津市科技支撐計劃重點項目(1 0 Z C K F S F 0 0 2 0 0)；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃項目(0 9 J C Y B J C 0 5 0 0 0)

李 桓(1955—)，男，天津人，博士，教授，主要從事焊接電弧診斷及測控技術(shù)的研究工作。