ANSYS在外加縱向磁場移動GTAW焊接過程有限元研究

1、ANSYS在外加縱向磁場移動GTAW焊接過程有限元研究 ANSYS 有限元數(shù)值模擬 外加縱向磁場移動GTAW 焊接過程涉及到電磁場和流場之間的相互作用、熱量傳輸以及相變等復(fù)雜的過程，而且流體流動和熱量傳輸之間是相互作用、相互影響的，采用解析法很難求解。本文以有限元分析軟件ANSYS 為平臺，利用該軟件所提供的多耦合場分析功能，采用參數(shù)設(shè)計語言（APDL）編制程序進(jìn)行自動加載和求解。 計算主要參數(shù)：勵磁電流為20A，線圈離工件表面的平均距離為10mm，焊接電流為100A，弧長為2mm，鎢極直徑為3.2mm，鎢極錐角為60 度，氬氣流量為8L/min，采用直流正極性接法,焊接速度為3mm/s。 計

2、算條件及處理方法 1 初始條件和邊界條件 在用ANSYS 進(jìn)行速度場和溫度場的耦合求解時，必須考慮速度和熱邊界條件，對暫態(tài)分析還應(yīng)該考慮初始條件。 1.1 速度邊界 速度邊界是指焊接過程熔池固液界面以及熔池自由表面。熔池固液界面在整個焊接過程是不斷移動的，相變潛熱的吸收和釋放就是通過該界面進(jìn)行的。在求解熔池流體流動及傳熱問題時，所面臨的最困難的問題就是固液界面的移動。通常的作法是假設(shè)在熱量傳向界面和因此而產(chǎn)生的界面移動兩個過程之間存在一個微小的時間滯后。即認(rèn)為在一個微小的時間間隔內(nèi)，熔池固液界面是固定的，在此條件下進(jìn)行流場和熱場求解，然后根據(jù)所求的傳給界面的熱量以及界面上潛熱的釋放或吸收等熱量

3、平衡條件求出界面的位移量，再根據(jù)新的界面位置計算下一時刻的流場和熱場，依次類推，就可以求得整個焊接過程的流場和熱場。這種方法算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，其計算精度由時間步長決定，步長越小計算精度越高，越能反映熔池流場和熱場的真實(shí)狀況，所以極耗CPU 計算時間。為克服這種方法的不足，本文采用“固液同一法”，即讓溫度低于固相線T 的金屬的粘性系數(shù)趨于無限大，而高于液相線T 的金屬的粘性系數(shù)采用實(shí)際粘性系數(shù)值,從而將固液相統(tǒng)一起來。這樣，在溫度等于或低于固相線溫度T 的區(qū)域，由于粘性系數(shù)非常大，流速為零。而在溫度等于或大于液相線溫度T 的區(qū)域，在磁場力作用下，粘度小的液相就會發(fā)生流動。這種方法不需要人工辨識流體區(qū)

4、域，程序會根據(jù)熱場分析結(jié)果自動更新固液移動界面位置并進(jìn)行熱場和流場的求解。 規(guī)定沿熔池平表面法向，熔池表面流體的運(yùn)動速度為零。由于在小焊接電流（ A I 120 . ）的條件下，普通GTAW 熔池上表面可近似為平表面9。此外，根據(jù)文獻(xiàn)，外加縱向磁場定點(diǎn)GTAW 焊接過程焊接熔池上表面的位移非常小，甚至可以忽略。所以，本文這樣處理并不會影響計算精度。 計算區(qū)域，固體當(dāng)作液體處理，那么流體區(qū)域便是整個焊接工件，所以，除自由表面以外的其它五個表面在各自法向的速度自由度約束也均為零。 1.2 熱邊界 外加縱向磁場移動GTAW 焊接過程焊接電弧熱流密度呈高斯分布。 焊件與周圍介質(zhì)（空氣）之間存在熱交換，

5、其主要形式是對流和輻射。在焊接時熱能的損失主要是通過輻射，對流的作用相對較小，并且溫度越高則輻射作用越強(qiáng)。 1.3 初始條件 外加縱向磁場移動GTAW 焊接過程是暫態(tài)的，在進(jìn)行數(shù)值計算前必須先確定初始速度和溫度條件。在計算初始時刻，整個焊接工件的初始溫度就是環(huán)境溫度。由于在熔池形成之前不可能出現(xiàn)流體的流動，所以初始速度均為零。 2 相變潛熱處理 ANSYS 熱分析模塊提供了用熱焓法處理相變的方法，但該方法不能用于熱流耦合分析，本文用等價比熱法處理固液移動界面的相變潛熱。 3 材料熱物理屬性及其它相關(guān)參數(shù) 本文選用的焊接材料為不銹鋼1Cr19Ni9Ti。焊接試件的尺寸為100mm50mm5mm，

6、其物性數(shù)據(jù)以及焊接工藝參數(shù)見表1。（略） 4 電磁場、流場以及熱場的耦合策略 在外加縱向磁場移動GTAW 焊接過程中，勵磁線圈由恒流源供電，并在焊接前就供電, 所以焊接過程一開始就受恒定的外加縱向磁場作用。本文忽略流體流動對此恒定磁場和熔池中發(fā)散的電流線分布的影響，認(rèn)為在整個焊接過程中，隨著焊槍的移動，熔池中電流密度矢量的分布相對于移動的焊槍并不改變。那么，在焊接過程中，恒定的磁場與不變的電流密度矢量相互作用所產(chǎn)生的力相對于移動的焊槍也是不變的。鑒于此，本文首先進(jìn)行電磁場耦合分析，計算出熔池中的電流密度分布、外加縱向磁場分布、發(fā)散的電流線產(chǎn)生的感應(yīng)磁場分布以及它們之間相互作用對工件中每一節(jié)點(diǎn)（或單元）產(chǎn)生的力的作用，然后再進(jìn)行流場和熱場的耦合分析。在進(jìn)行流場和熱場耦合計算的整個過程中，把電磁場耦合計算的結(jié)果（即力）作為邊界條件施加進(jìn)去，最終實(shí)現(xiàn)電、磁、熱、流四場的耦合計算。 結(jié)論 本文利用ANSYS 軟件所提供的多耦合場分析功能對外加縱向磁場移動GTAW 焊接過程中外加縱向磁場的分布、熔池中電流密度的分布以及熔池流體流動與傳熱行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究發(fā)現(xiàn)： （1）在熔池范圍內(nèi)，單個空心圓柱線圈產(chǎn)生的磁場可近似為縱向磁場。電流密度矢量在距離熔池中心某一位置達(dá)到最大值，離電弧中心和工件上表面愈近，電流密度矢量愈縱向磁場的夾角愈小