基于动网格技术的CMT-WAAM熔池温度场与流场数值模拟

摘要

针对基于冷金属过渡(CMT)技术的镁合金摆动电弧增材制造(WAAM)过程，采用流体体积(VOF)法和动网格(DM)技术建立了分别考虑熔滴和熔池受力情况的三维瞬态数值模型，研究了熔滴过渡和熔池流动过程中的温度场和速度场变化.结果表明，相应试验结果验证了所建立数值模型的有效性，熔池和熔滴尺寸参数模拟的误差均在10%之内.在CMT-WAAM开始阶段，基板表面和焊丝在电弧热作用下熔化分别形成熔池和熔滴．在焊丝向熔池送进过程中，熔滴不断长大，并在表面张力作用下长成球形．熔滴金属的热量主要通过热传导的形式向熔池传递，熔池最高温度随着熔滴金属的过渡而升高，熔池最高温度可达2 100.0 K；随着焊丝的回抽，熔池最高温度降低至1 763.6 K．随着焊丝向熔池送进，熔滴的最大速度从1.87 m/s逐渐减小到1.07 m/s，而熔池的最大速度仅为0.87 m/s．当熔滴金属前端与熔池发生接触后，液态金属的最大速度可达到4.21 m/s；随着焊丝的机械回抽，液态金属的最大速度在1.69～4.90 m/s范围内波动．当熔滴与熔池接触发生短路时，熔滴金属从熔池表面流向熔池底部和熔池两侧，增强了对熔池底部和熔池两侧的搅拌作用，使得熔池体积增加；当熔滴从焊丝端部脱离后，熔池中液态金属从熔池底部流向熔池表面和熔池两侧，熔池温度和流体速度随之降低，从而减缓了熔池体积的增加．此外，熔池自由表面在摆动电弧作用下呈现波浪式变形.

关键词

动网格 / 电弧增材制造 / 熔滴过渡 / 熔池流动 / 数值模拟

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52075377)