【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电弧焊接领域，具体涉及一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法。
技术介绍
1、相比于常规电弧焊接技术，负压电弧力约束的负压电弧焊接技术通过形成与重力方向相反的负压电弧力，将正压电弧对熔池的排斥作用改变为负压电弧对熔池的吸引作用，解决了常规正压电弧对熔池具有排斥、挖掘、冲击等作用，改善了熔池凹陷和外溢问题，这对于提高增材构件的精度、效率和性能具有重要作用，特别是在薄壁结构和非垂直增材制造的应用中。
2、由于负压电弧焊接过程中涉及到多种驱动力(电弧压力、马兰戈尼力、浮力、电磁力和等离子剪切力)与复杂传热及流动行为，以及它们之间的相互作用，加上非线性变化的材料特性，实验研究面临很大的困难。而采用数值模拟的方法能够对负压电弧焊接过程的各个物理量及其演变规律进行可视化的定量分析，能够揭示焊接过程中电弧与熔池的运动行为、温度分布和熔池表面形貌的演变规律，因此数值模拟在负压电弧焊接研究中的应用具有重要意义。
3、但关于负压电弧焊接的数值模拟研究极为复杂，物理建模困难。本领域技术人员多基于为电弧或者熔池的单向耦合模拟，要么忽略熔池仅计算电弧，要么忽略电弧仅计算熔池，且对熔池表面形貌的模拟研究较少。因此，尚未有对负压电弧焊接进行电弧-熔池全耦合的整体数值计算实现的报道。然而负压电弧焊接过程中电弧与熔池的相互作用将直接决定焊接构件的质量与成形。因此，仅计算熔池或仅计算电弧的方式，所获得的结果不能真实再现负压电弧焊接过程，也不利于负压电弧焊接的相互作用机理的研究。
4、鉴于此，
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术的目的在于提出一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，能够对负压电弧焊接过程的各个物理量及其演变规律进行可视化的定量分析，能够揭示焊接过程中电弧与熔池的温度分布、运动行为、压力分布和熔池表面形貌的演变规律。
2、为实现上述技术目的，本专利技术提供了一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，包括建立几何模型步骤、建立控制方程步骤、设置边界条件及材料参数步骤、划分网格并进行求解步骤、计算气体区域状态和工件区域状态步骤、存储tn时刻解步骤和判断步骤；
3、具体包括以下步骤：
4、步骤1：建立几何模型：采用建模软件建立二维轴对称几何模型，所述几何模型为矩形；所述几何模型包括工件区域gdef、电极区域abjih和气体区域bcdghijb；工件区域为矩形，作为熔池表面计算域，工件区域下接地极，半工件表面长度为8～20mm，高度5～10mm，工件底面固定温度为300k；电极区域代表焊接中的钨阴极，呈版圆锥状，阴极锥角为30～60°，半径1.6～2mm，电极区域端部距离工件区域竖直距离1mm～10mm，弧长为3～5mm，所述阴极上接连续电流；所述气体区域为所述几何模型除工件区域和电极区域外的余下区域，作为电弧计算域，上端导入保护气体；针对几何模型合理设置基本假设。
5、步骤2：建立控制方程：通过任意拉格朗日－欧拉自适应网格法(ale)对由纳维-斯托克斯方程、传热方程和麦克斯韦方程组构成的控制方程进行强耦合，形成基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接模型的控制方程；
6、质量守恒方程：
7、
8、动量守恒方程：
9、
10、其中，ρ为密度；υ为速度矢量；p为压力；i为单位矩阵；μ为粘度；t为温度；f为动量源项；为洛伦兹力；j为电流密度；b0为电弧自生磁场；bext为外磁场强度磁场，它们施加到整个计算域(包括电弧等离子体和熔池)；ρ(1-β(t-tl))g仅在金属中起作用的浮力；g为重力加速度；β为热膨胀系数；tl为固相线参考合金的温度；fdarcy为达西阻力，具体达西力：
11、
12、其中，达西阻力施加在金属中，a和b为常数；其中a取较大值(可取106)，b取较小值(可取10-3)；达西阻力与液体体积分数gl相关，纯液相区gl＝l，达西阻力为零；固/液混合区，0<gl<1；固相区gl＝0，达西阻力达到很大，迫使混合速度为零。
13、能量守恒方程：
14、
15、其中，k为热传导系数；表示焦耳热；为电子携带的热能；kb为玻尔兹曼常数；qrad为电弧等离子体中有效的辐射损耗；qb表示平衡边界热源，通过“lte-扩散近似”方法被引入传热方程中；是等效比热容，通过使用表观热容法用于捕获熔融和凝固的相变，如下所示：
16、
17、其中，cps和cpl分别表示固相和液相金属的比热容，lf表示熔化潜热，ts和tl分别是固相温度和液相温度，tmelting表示糊状区的过渡温度大小，即tmelting＝tl-ts。
18、
19、为表面功函数，-εkbt4为对外辐射热量损失；
20、该边界热源作用在熔池表面；
21、
22、其中，ar为有效richardson常数，φe为有效功函数，vi为等离子体电离势能；该边界热源作用在阴极表面；
23、通过麦克斯韦方程组施加电磁场：
24、
25、表面张力梯度作为fe-s合金的温度和硫浓度的函数：
26、γ＝γm-aγ(t-tm)-rgtγs ln(1+kas)
27、
28、γm为表面张力系数，aγ为表面张力梯度恒定，rg为阿伏伽德罗常数，γs饱和表面过剩系数，δh0表示标准吸收热，as表示硫的含量；
29、剪应力由电弧的阻力和表面张力组成其中来自等离子体射流的内在反映在应用于整个流体域的完全耦合动量方程中：
30、
31、ale方程：
32、
33、其中，ρm和ρv分别表示液相和气相的密度，和分别表示液相和气相的速度，vm是网格界面移动速度，为质量通量。
34、步骤3：设置边界条件及材料参数：环境温度为273.15～300k，环境压力0.1～10atm，工件底部电势0v，保护气体种类保护为100％的氩气、或者氦气、二氧化碳中的一种或几种，气体流速10～50l/min，焊接电流为100～200a，所使用的外磁场强度范围为0～0.05t，加热时长为0.1～5s，工件区域工件材料为铁基合金或有色金属合金；相应的具体材料参数由工件材料和温度直接确定。
35、步骤4：划分网格并进行求解：对所述计算区域采用网格划分软件进行网格划分，设置网格类型、大小与数量，便于优化计算效率，再进行计算求解。
36、步骤5：计算气体与工件区域状态：依次计算气体与工件区域的温度场、速度场、压力场及工件区域的表面形貌演变过程，包括以下子步骤：
37、s1：计算气体与工件区域温度场：通过全耦合模型利用上述公式本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，包括建立几何模型步骤、建立控制方程步骤、设置边界条件及材料参数步骤、划分网格并进行求解步骤、计算气体区域状态和工件区域状态步骤、存储Tn时刻解步骤和判断步骤，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1中的基本假设：(1)电弧被认为是单一导电流体，并假设它处于局部热力学平衡(LTE)状态；(2)金属的固相被认为是一种极粘稠的流体，电弧和金属液相是弱可压缩的，流动是层流，焊接速度被忽略不计；(3)马兰戈尼效应是通过将表面张力系数作为取决于温度和硫含量的参数来考虑；(4)电弧和熔池是一个完全耦合的磁流体动力系统，具有双向相互作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3中的外加磁场模式为纵向磁场模式，磁场方式为交变磁场方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，所述步骤
5.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，对于焊接电流为100～200A，外磁场强度为0～0.05T，工件材料为AISI304不锈钢，钨极半径为1.6mm，弧长为3mm，工件厚度为7mm，保护气体采用100％纯氩气，保护气体流速为30L/min，负压电弧焊接条件下，在工件表面的对称轴中心区域出现低温区，熔池表面形成双峰分布的温度场特征，熔池表面最高温度向外缘移动，熔池表面温度分布更为均匀，有利于薄壁结构增材制造成形成性；在负压电弧焊接条件下，工件表面出现具有吸附作用的负压电弧力，并随着磁场强度的增加而增大，最大负压电弧力达到了-480Pa，熔池中心表面区域向上凸起明显，表明负压电弧具有吸附效应，同时熔池内部流体运动速度提高，并出现多个回流区，回流区的速度也随磁场强度增加而增大；负压电弧焊接通过降低电弧正压力能有效改变熔池形貌，使熔池中心表面高度明显高于常规正压电弧焊接的熔池形貌，外加磁场强度对于熔池中心高度的影响具有最佳值存在，负压电弧焊接熔池中心高度出现最大值。
...【技术特征摘要】
1.一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，包括建立几何模型步骤、建立控制方程步骤、设置边界条件及材料参数步骤、划分网格并进行求解步骤、计算气体区域状态和工件区域状态步骤、存储tn时刻解步骤和判断步骤，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1中的基本假设：(1)电弧被认为是单一导电流体，并假设它处于局部热力学平衡(lte)状态；(2)金属的固相被认为是一种极粘稠的流体，电弧和金属液相是弱可压缩的，流动是层流，焊接速度被忽略不计；(3)马兰戈尼效应是通过将表面张力系数作为取决于温度和硫含量的参数来考虑；(4)电弧和熔池是一个完全耦合的磁流体动力系统，具有双向相互作用。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3中的外加磁场模式为纵向磁场模式，磁场方式为交变磁场方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由表面的电弧-熔池全耦合负压电弧焊接行为数值模拟方法，其特征在于，所述步骤4中网格划分所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，请求不公布姓名，请求不公布姓名，请求不公布姓名，请求不公布姓名，请求不公布姓名，
申请(专利权)人：上海工程技术大学，
类型：发明
国别省市：
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