基于动网格技术的CMT-WAAM熔池温度场与流场数值模拟

作     者：申俊琦 张帆 胡绳荪 耿辉 Shen Junqi;Zhang Fan;Hu Shengsun;Geng Hui

作者机构：天津大学材料科学与工程学院天津300350 天津市现代连接技术重点实验室天津300350 

出 版 物：《天津大学学报(自然科学与工程技术版)》 (Journal of Tianjin University:Science and Technology)

年 卷 期：2025年第58卷第2期

页      面：147-156页

核心收录：

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52075377) 

主　　题：动网格 电弧增材制造 熔滴过渡 熔池流动 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2100.0K;随着焊丝的回抽,熔池最高温度降低至1763.6K.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.