（材料加工工程专业论文）co2气体保护焊摆动过程的焊缝成形力学行为研究.pdf

摘要 全位置摆动焊接过程，焊炬摆动到不同位置，熔池液态金属受力对焊缝成形所起的 作用亦不相同，而且是不断变化的，甚至严重影响焊缝形状和质量。因此摆动焊接过程 中熔池力学行为的研究较为重要。目前，国内外学者对焊接熔池行为的研究主要集中于 非摆动焊接模式，而对焊接生产中广泛应用的c 0 2 摆动焊接的理论研究很少。本文在 高斯热源基础上推导出了模拟电弧摆动的带状热源模型，并基于该热源模型对摆动焊接 熔池从未熔透到熔透过程中三维形状的动态演变过程进行了数值模拟；分析了摆动焊接 过程中，不同焊接位置( 平焊、横焊、立焊、仰焊) 液态溶池的受力情况，研究了熔池 液态金属在各种力作用情况下的流动行为：分析了摆动方式对不同焊接位置焊缝成形的 影响；建立了熔池受力情况及表面变形的理论模型，并对熔池的流场及速度场进行了数 值模拟。研究结果表明，平焊摆动焊接过程中，熔池宽度和长度在其形成初期增长迅速， 随后增长速度放慢，当熔池达到宏观准稳态后，则相对稳定，不再发生变化，工件未熔 透以前，熔池的最大熔深随着时间逐步增加；当热源接近时，焊缝附近节点温度瞬时上 升至1 1 0 0 以上，热源经过后，温度又降至1 3 0 以下；距焊缝中心2i i l i n 和4n 吼 处节点( 焊缝附近节点) ，其温度低于2 0 0 时，升温速度平缓，达到2 0 0 以上，则 升温速度明显增大；熔池流体流动速度的最大值出现在熔池中心下部的位置。立焊摆动 焊接过程中，重力对焊缝成形不利；立向上焊时，下部熔池液态金属在重力作用下流淌， 波形下坠，余高较大；立向下焊时，下部熔池液态金属在重力和电弧推力共同作用下流 淌，借助焊枪摆动可以获得成形较好的焊缝；流体流动速度的最大值出现在熔池中心处。 横焊摆动焊接过程中，采用4 5 0 斜摆角时，使熔池液态金属下淌的重力分量将减少3 0 ， 斜摆角越大，使熔池液态金属下淌的重力分量越小；流体流动速度的最大值出现在下坡 口处。仰焊摆动焊接过程中，熔池呈倒悬状态，没有固体金属的承托，必须控制电弧压 力对熔池的作用，适当减轻重力对焊缝成形的恶化作用；流体流动速度的最大值不出现 在熔池中心上部的位置，而是出现在中心稍微偏下一点的位置。另外不管哪种焊接位 置，在熔池内部，特别是靠近熔池边缘的地方流体流动均出现明显的环流现象。 关键词：c 0 2 气体保护焊，摆动焊接，焊缝成形，力学行为，流场，数值模拟 s t u d yo nm e c h a n i c a lb e h a u o r o fw e l df o r m a t i o nd u r i n g c 0 2g a ss h i e l d e da r cw e i d i n gw e a v i n g p r o c e s s l ij i m e i ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n 百n e 甜n 曲 a b s t r a c t d u n n ga 1 1 p o s i t i o nw e a v i n gw e l d i n gp r o c e s s ，m ef o r c e so ft h ew e l d p 0 0 11 i q u i dm e t a l w h i c hh a v ed i 疵r 饥te 骶c t so nt h ew d df o r m a t i o nw i l lc h a n g e m e i re 虢c t sc o i l s 锄t l yw h e n t h ew e l d i n gt o r c ha td i f 】f e r e l l tp o s i t i o n sa n de v e l lh a v es 谢o u s l ye 疵c t so nm es h 印ea n d q u a l i t yo fm ew e l d n o 砒t h er e s e a r c h e so fd o m e s t i ca n df o r d 伊s c h o l a r sa b o u tw e l d p o o l f o c u so nu 1 1 w e a v i n gp r o c e s s ，锄dt 1 1 e r ea r ef e wt h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s0 nm ec 0 舢m o n l l s e d c 0 2g a ss h i e l d e da r cw e a v i n gw e l d i n gmw e l d i n gp r o d u c t i o n o nt h i s 印u n d ，b a s e do nt h e g a u s sd i s t r i b u t i o n ，t h em o d e lo fs t r i ph e a ts o u r 。c es i m u l a t i n gm ee l e c t r i ca r cw e a n gw a s d 丽v e d a n db a s e do nt h i sh e a ts o u r c em o d e l ，也ed y n 锄i cd e v e l o p m i 弧tp r o c e s so t w e l d p 0 0 1 s l r e e d i m e l l s i o n a ls h 印e 丘- o mp 撕p e l l e 仃a t i o nt om 1 1p e n e 眦i o nd 谢n g w e 撕n g w 弓l d 扭gw a ss i m u l a t e d n em e c h a n i c a lb e h 撕o ro ft h ew e l d p 0 0 1a t d o w n h 孤dw e a v i n g 、e l d i i 培p o s i t i o n ，v e n i c a lw e a v i n gw e l d i n gp o s i t i o n ，h o r i z o n t a lw e a 咖gw e l d i n gp o s i t i o na n d 0 v 融l e a dw e a v i n gw e l d i n gp o s i t i o nw e r ea n a l y z e da 芏l d h ew e l d p o o ll i q u i dm 铰a l sn o w i n g a c t i o nu 1 1 d e rd i f j 衙e 1 1 tf b r c e sw a l sr e s e a r c h e d t h ei i l n u 肌c e so fw e a v i n gw a yo nw e l d f o 】胍a t i o na td i 毹r e n tp 。s i t i o n sw e f e 缸a l y z e d 7 i kt h e o f e t i e a l 瑚l o d e 。fw e l d p o o lm e 6 h 蕊c a l b e h a v i o ra 1 1 dw e l d p o o ld e f o 姗a t i o nw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dt 1 1 ef l o w6 e l da n dv e l o c i t yf i e l do f w e l d p 0 0 1w e r es 洒m a t 以t h er e s u l t ss h o wm a 主d u 血l gd a w i l l l a n dw e a v i n gw e l d i n gp r o c e s s ， m ew i d ma i l dl e l l g c ho ft h ew e l d p 0 0 1i i l c r e a s eq u i c k l ya tm eb e 西n 1 1 i n g ，t h e i ls l o w a n d w h e nm ew e i d p 0 0 ld o e s n tc h a i l g ea n y m o r e ，m ew i d ma n d1 e f l g mo ft 1 1 ew e l d p 0 0 1a l s od o n t c h a n g e t h em a x i m u md 印m o fm ew e l d p o o lm c r e a s e s 黟a d u a l l ya l o n gw i t hm em e b e f o r e m ew e l d p 0 0 1b e i n gf b l lp e n e t r a t i o n r h et e l l l p e r 撒玎eo fm en o d e sn e a rm ew e l d i n gs e 锄c a l l e x c e e d1 1o o w l l i l em eh e a ts o u i c ei sc l o s et o 廿l e s en o d e s ，a l l dt h et e m p e r a t l l r eo fm e s e n o d e sw i l lb el e s st h a i l1 3 0 w 1 1 i l et h eh e a ts o u r c ei sa _ w a y 舶mm 锄i fm et 咖p 锄m 鹏 o ft h en o d en e a rm ew e l d i n gs e 锄i sl e s sm a n2 0 0 ，t h en o d e st 锄p e r a t u r e r i s i n gs p e e di s s m a l l 觚di fm et e m p e r a n 耽e x c e e d s2 0 0 ，m en o d e st 锄p e r 加鹏d s i n gs p e e di s 孕e a t 既 t h em a x i m u mn o wv e l o c i t ) ，o fm el i q u i dm e t a ld u r i r 玛d o w n h a n dw e l d i n ga p p e a r sa tt h e p o s i t i o nw h i d hi su i l d e rt h ew e l d p o o lc e n t e r a sf o rv e r t i c a lw e a “n gw e l d m g ，t h e 伊a v i t yh 私 b a de 虢c to nt h ew e l df o l l l l a t i o n n 1 血1 9v e n i c a l - u pw e l d i n gp r o c e s s ，m el i q u i dm e t a lo ft l l e l o w e rw e l d p o o lw i l lr u nd o w nu 1 1 d e rg r a v i t ya r l dm ew e l dr e i n f o r c e l l l e n ti sal i t t l eb i g d u r i n g v e r t i c a l 一d o w nw e l d i n gp r o c e s s ，t h ei i q u i dm e t a lo ft h e1 0 w e rw e l d p o o lw i l ln md o w nu n d e r 笋a v i t ya n da r cp u s hf o r c e ，a n dt h ew e l d i n gs e 锄i l l9 0 0 ds h a p ei sg e tb ym ew e l d i n gt o r c h w e a v i n g t h em a 】【i i i l u mn o wv e l o c i t ) ，o ft 1 1 el i q u i dm e t ma p p e a r sa tt h ew e l d p o o lc e n t e r d 谢n gv 哦i c a lw e l d i n g d l l r i n gh o r i z o n t a lw e a 、，i n gw e l d i i 培p r o c e s s ，w h e i lm eo b l i q u e w e a _ v i n ga i l 酉eo ft h eh o r i z o r l t a lw e l d m gi s4 5d e 伊e e s ，m es i z eo ft h e 伊a 、，i t ) r sc o m p o n e l l t 斯c ec a u s 崦龇w e l d p 0 0 1l i q u i dm 洲m i l l l i n gd o w n 捌u c e sb y3 0 ，a 1 1 dt 1 1 eb i g g e rn l e a n 舀e ，t l l el e s st l l e 孕a v i 锣sc o m p o n e n tf o r c ec a u s i n gm ew e l d p 0 0 1 1 i q u i dm e t a lr 枷n g d o w n t h em a 】【i m u mn o wv e l o c 时o ft h el i q u i dm e t a ld 嘶n gh 耐z o n t a lw e l d 崦a p p e a r sa t u n d e r s i d eb e v e l a sf o ro v e r h e a dw e a 啊n gw e l d i n gp r o c e s s ，t h ew e l d p o o lw 1 1 i c hi sa tt 1 1 es t a t e o ff a l l i n gh e a di s n ts u p p o r t e db yt l l es o l i dm e t a l ，觚dt h ee a e c to fm ea r cp r e s s u i eo nt h e w e l d p o o ln l u s tb ec o n 仃0 l l e dt or e d u c e l ee 彘c to fm e 孕a v i t y0 nt h ew e l df o 肌a t i o n t h e m a x i m u mn o wv e l o c i t ) ro ft l l e1 i q u i dm e t a ld o e s n ta p p e a ra tt l l ep o s i t i o nw h i c hi sa b o v et h e w e l d p o o lc 朗t b u tb e l o wm ew e l d p o o lc e n t e rs l i g h t l yd u d n go v e r h e a dw e l d i n g f o r w 1 1 i c h e v e rw e l dp o s i t i o n ，m e r ea r ec i r c u l a t i o np h e n o m e n aa tm ew e l d p o o lc e i l t e re s p e c i a l l y a c c o r d i n gt h ew e l d p o o le d g e sw h e r e t l l en u i df l o w s k e yw o r d s ：c 0 2g a ss h i e l d 以a f cw e l d i n g ，w ea _ v i n gp r o c e s s ，w e l df 眼a t i o n ， m e c h a l l i c a lb e h a v i o r ，f l o wf i e l d ，n l u i l 谢c a js i m u l a l i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：之坌墨超日期：砌2 年箩月心日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：丛墨塑 指导教师签名： 墨纽 日期：为心年夕月心日 日期：。跏0 年j 月? 9 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有着重要的地位。随 着我国压力容器、航空航天、石油化工、车辆、桥梁等工业的迅速发展，焊接结构的应 用也得到了突飞猛进的发展，人们对焊接技术则提出了越来越高的要求。无论什么领域， 其产品最终总是以其性能的好坏来做衡量的，焊接也不例外。且焊接产品中许多大型构 件都是用于国民生产的重要领域，所以对焊接接头高质量、高性能的要求更是有着极其 特殊的意义。 c 0 2 气体保护焊是以活性气体二氧化碳作为保护气体，以焊丝作为电极和填充材料 的电弧焊，由于其生产效率高、成本低、焊接变形小，在桥梁、造船、航空、航天、海 洋工程以及冶金建筑等许多领域中已经得到越来越广泛地应用。在c 0 2 气体保护焊焊 接时，热源作用下母材上由熔化的焊条金属与局部熔化的母材形成具有一定几何形状的 焊接熔池，熔池中的液态金属在各种力的作用下将发生运动乜1 。尤其是在除平焊以外的 其他位置( 如立焊、横焊和仰焊) 的摆动焊接时，熔池中液态金属在重力的作用下存在 流淌，焊炬摆动到不同的焊接位置，熔池液态金属所受的重力对焊缝成形所起的作用极 不相同，而且是不断变化的，导致很多焊接缺陷的产生，立焊位置容易产生焊瘤，横焊 位置容易形成未熔合和层间夹渣，仰焊过程中，由于重力的作用，熔滴向熔池的过渡困 难，熔池中的液态金属发生下坠导致焊道成形不佳，并且熔池中的液态金属存在滴落的 可能。这些焊接缺陷严重影响焊缝形状和质量。在这种情况下，要想得到既完全焊透， 又不出现塌陷、咬边和焊瘤的均匀、一致的焊缝，关键在于如何通过控制焊炬的摆动来 控制液态金属的流动，并通过调整电弧的热输入和作用力、熔池的体积和流动性，以补 偿重力变化所带来的影响1 。 现代焊接科学技术研究表明，焊接熔池中液态金属的流动行为对焊接质量将产生重 要的影响h 1 。目前，人们对这方面的研究还没有上升到理论的高度，因此，准确定量地 研究c 0 2 气体保护焊摆动过程熔池液态金属的流动行为及流体流动的驱动力具有重要 的理论意义和实际意义，深入研究c 0 2 气体保护焊摆动过程熔池液态金属的力学行为 已成为迫在眉睫的问题。 第一章绪论 1 1 c 0 2 气体保护焊概述 c 0 2 气体保护焊是上个世纪5 0 年代初期发展起来的一种新的焊接技术，7 0 年代广 泛进入中国钢结构制造行业，现有三十多年历史。c 0 2 气体保护焊做为一种基本的加工 方法，在现代化工业生产中占据重要的地位。与其它电弧焊相比，c 0 2 气体保护焊主要 有以下优点陋西7 ：生产效率高。c 0 2 气体保护焊的电弧热量集中，穿透力强，熔深大 且焊丝的熔化率高，熔敷速度快，生产率比手工焊高1 3 倍；焊接成本低。c 0 2 气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广、价格低，c 0 2 气体保护焊的成本只有埋弧焊 和手工焊的4 0 5 0 ；适用范围广。不论何种位置都可以进行焊接，薄板可焊到 1i 姗左右，最厚几乎不受限制( 采用多层焊) ，而且焊接薄板时，较之气焊速度快、变 形小；抗锈能力较强，焊缝含氢量低，抗裂性好：焊后不需清渣，是明弧焊，便 于监视和控制，有利于实现焊接过程的机械化和自动化。c 0 2 气体保护焊的主要缺点是： 焊缝表面成形较差，存在金属飞溅。其中，金属飞溅是c 0 2 气体保护焊中较为突出的 问题。因飞溅的金属容易堵塞喷嘴、破坏保护气流，致使焊缝产生气孔；同时，粘在导 电嘴上的飞溅物会成块地落入熔池，使焊缝质量降低。c 0 2 气体保护焊的飞溅，不论从 焊接电源、焊接材料及焊接工艺上采用何种措施，都不能完全消除，只能使飞溅减少。 鉴于c 0 2 气体保护焊的特点。此焊接方法在工业发达国家已得到广泛地应用。以 金属熔敷量占该国焊接总量的比例计算，2 0 世纪8 0 年代c 0 2 气体保护焊的焊接量在英 国占5 6 ，在日本占7 1 。我国自上世纪5 0 年代末开始研制与应用c 0 2 气体保护焊， 但由于生产水平不高，该焊接方法的发展一直比较迟缓。直到8 0 年代后，外国的焊接 设备和材料大量进口。同时也从国外引进了c 0 2 气体保护焊的焊接设备生产技术和焊 接生产线，我国在发展c 0 2 气体保护焊接设备、焊接材料和焊接工艺上才取得了很大 成就，使c 0 2 气体保护焊提高到一个新的水平。目前c 0 2 气体保护焊已成为钢结构生 产中主要的焊接方法之一，已在我国汽车、机械制造、石油化工等行业中获得了日益广 泛地应用，这些都极大地推动了我国c 0 2 气体保护焊焊接技术的发展n 1 ，特别是当前西 部大开发的许多基础项目如公路、桥梁、铁路、机场建设及西气东输、西油东送等都应 用到了c 0 2 气体保护焊焊接技术1 。 1 1 2 摆动焊接过程焊缝成形的影响因素 】、焊接工艺参数 在c 0 2 气体保护焊摆动过程中，很多因素影响焊缝成形。其中，焊接工艺参数与 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 焊缝几何尺寸的关系是制定焊接工艺方案、控制焊接质量的重要依据。在c 0 2 气体保 护焊摆动过程中，对于一定直径的焊丝，为了保证稳定的焊接过程，熔滴过渡形式常采 用短路过渡和细颗粒过渡两种形式。目前在我国应用最为广泛的是短路过渡形式焊接。 生产实践表明，焊接工艺参数的选择正确与否会直接影响焊接过程的稳定性。 ( 1 ) 电弧电压及焊接电流 电弧电压的大小决定了电弧的长短和熔滴的过渡形式，对焊缝成形、飞溅、焊接缺 陷以及焊缝的力学性能有很大地影响。在一定的焊丝直径及焊接电流下，电弧电压过低， 则电弧引燃困难，焊接过程不稳定；电弧电压过高，则由短路过渡转变成大颗粒的长弧 过渡，焊接过程也不稳定。只有电弧电压与焊接电流匹配合适时，才能获得稳定的焊接 过程，且飞溅小、焊缝成形好。电弧电压是决定焊缝熔宽的最主要的因素。电弧电压越 高，电弧笼罩范围也越大，于是熔宽增加，而熔深、余高则减小。电弧电压也反映了弧 长的大小。电弧电压越高，弧长越大，焊枪喷嘴到焊件的距离也越大，气体保护效果变 差，当电弧电压过高时，易生成气孔。 焊接电流与送丝速度成正比，即送丝速度越快电流就越大，反之亦然。c 0 2 气体保 护焊电流的大小是由送丝速度来调节的。焊接电流对焊丝和焊件的熔化影响最大，也是 影响熔深的主要因素。随着焊接电流的增加，焊丝熔化速度增大。通常随着焊接电流的 增加，电弧电压也相应增加一些。所以随着电流的增加，焊缝熔宽和余高略有增大，而 熔深增加最明显。 ( 2 ) 焊接回路电感 进行短路过渡焊时，一般在焊接回路中串接附加电感，其作用主要有以下两方面： 调节短路电流增长速度斫以。历以对飞溅和焊接过程的稳定性有很大影响：讲厂西 过小，发生大颗粒飞溅，甚至焊丝成大段爆断使电弧熄灭；讲出过大，则产生大量小 颗粒的金属飞溅。调节电弧燃烧时间，控制母材熔深。在短路过渡的一个周期中， 短路期间，短路电流的能量大部分传输到焊丝中( 焊丝伸出部分) ；在电流燃烧期间， 电弧的大部分热量输入工件，形成一定的熔深。一般来说，短路频率高的电弧，其燃烧 时间很短，因此熔深小。适当增大电感，虽然频率降低，但电弧燃烧时间增加，从而增 大了母材熔深，所以调节焊接回路中的电感量，可以调节电弧的燃烧时间，从而控制母 材的熔深。 ( 3 ) 焊接速度 焊接速度对焊缝成形、接头的力学性能以及气孔等缺陷的产生都有影响。c 0 2 气体 3 第一章绪论 保护焊摆动焊接过程涉及到摆动分速度和焊接分速度，所以摆动倾角和两侧停留时间要 选择适当。一般而言，在保持焊接电流和电弧电压一定的情况下，随着焊接速度增大， 焊缝熔宽降低，熔深及余高也有一定程度减少。焊接速度过快，气体保护效果变差，可 能出现气孔，而且还易引起焊缝两侧咬肉及未熔合等缺陷；焊接速度过慢，熔池中液态 金属将流到电弧的前面，电弧在液态金属上面燃烧，从而使焊缝熔合不良，形成未焊透。 此外，焊接速度还影响到焊接线能量，在焊接高强度钢等材料时，为防止裂缝、保证焊 缝金属的韧性，需要选择合适的焊接速度来控制焊接线能量。从焊接生产率角度来考虑， 焊速是愈快愈好，因此焊速减慢熔深降低的这一段区间是没有实际意义的。当焊件熔深 要求确定时，为提高焊速，就得进一步提高焊接电流和电弧电压，即意味着电弧功率提 高，因此，焊接电流和焊速的选取就要考虑综合经济效益。 ( 4 ) 焊丝伸出长度 由于短路焊接时采用的焊丝都比较细，所以焊丝伸出长度上产生的电阻便不能忽 视。其它工艺参数不变时，随着焊丝伸出长度的增加，焊接电流下降，熔深减小。直径 越细、电阻率越大的焊丝，影响就越大。此外，随着焊丝伸出长度的增加，焊丝上的电 阻热增大，焊丝熔化加快，从提高生产率上来说是有利的。但当焊丝伸出长度过大时， 焊丝容易发生过热而成段熔断，飞溅严重。焊接过程不稳定。同时，焊丝伸出长度增大 后，喷嘴与工件间的距离也增大了，这样飞溅的金属容易堵塞喷嘴。焊丝伸出长度过小 时，容易造成飞溅物堵塞喷嘴，影响保护效果。 ( 5 ) 电源极性 在c 0 2 气体保护焊中一般采用直流反极性。这是因为反极性时飞溅小、电弧稳定、 成形较好，而且焊缝金属含氢量低，焊缝熔深大。 ( 6 ) 坡口形状 在其他条件相同时，坡口形状不同也会影响焊缝成形。增加坡口深度和宽度时，熔 深略有增加，熔宽略有减少，焊缝熔合比显著减小。因此，开坡口通常是控制增高和高 速焊缝的熔合比最好的方法。对于不同焊接位置，为了实现良好的焊缝成形，工件要对 应开不同的坡口。 ( 7 ) 焊炬摆动方式的影响 在自动化焊接领域中，为了提高焊接质量，大坡口对接或搭接的焊缝进行自动焊接 时，较多采用焊枪摆动形式。同时，当焊缝尺寸较宽时，为保证焊丝与母材完全熔合， 对不同位置的焊接( 平焊、立焊、横焊、仰焊) ，要保证焊丝端部的熔滴向熔池过渡， 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 防止熔池失去平衡而导致液态金属流溢，产生冶金缺陷( 如气孔、裂纹等) ，应使焊枪 依照一定的焊接方向及轨迹摆动。焊枪摆动能够有效地提高熔池液体金属的对流速度， 从而可增加对两侧母材传热量，增加熔深，使热量在厚板方向上趋于一致，获得厚板方 向等熔深的最佳焊接效果阳1 。与平直焊相比，摆动焊具有很多优点口训：摆动焊能在 一次通过时，在整个焊道里填充大量的熔敷金属，或得到较宽的焊道，而平直焊则不能 得到。采用平直焊得到凸形焊缝，使用摆动焊可得到比较平的焊缝。薄板或板的 平焊部位间隙大的时候，平直焊热量集中，容易烧穿，摆动焊可防止烧穿的发生，获得 焊缝表面良好的成形。立焊、横焊和仰焊时，平直焊产生的热量集中，熔化金属容 易垂落，摆动焊可避免这一现象的发生。在摆动焊中，一定要注意摆动频率与送丝速度 相匹配。如果送丝速度太高而摆动频率过低则会造成焊接填充物太少；如果送丝速度太 低而摆动频率过高又会造成余高过大。 ( 8 ) 焊接位置的影响 对了处于不同焊接位置的c 0 2 气体保护焊来说，由于重力对熔池液态金属及熔滴 过渡的影响，焊缝的成形质量也会受到一定的影响。因此，对于全位置焊接的不同焊接 位置，应随时调整焊接参数，以确保良好的焊接成形质量。 2 、熔池金属的对流驱动力 c 0 2 气体保护焊摆动过程中，在焊接电弧的作用下，熔池表面凹陷，液态金属被排 向熔池尾部，使熔池尾部的液面高出。熔池金属除了向尾部流动之外，在其他力的作用 下还产生各种形式的流动。研究表明，熔池主要受浮力、表面张力、熔池金属重力和熔 滴下落的冲击力等的作用。熔池的运动不仅与上述各力的大小、方向有关，而且与它们 在熔池表面上的分布，以及所处的焊接位置、焊枪摆动的轨迹有关。 ( 1 ) 浮力 作为自然对流的驱动力，浮力的产生是由于熔池内的温度梯度和密度梯度引起的。 在浮力的作用下，温度不同的液态金属相互掺混。一般而言，温度高，金属密度将下降。 熔池中的过热金属在浮力的作用下将上升至表面，而较冷金属被推到底部，这样导致了 循环流动。浮力的作用倾向于减小熔合比n 。 ( 2 ) 表面张力 作为熔池流体流动的主要驱动力，表面张力是由熔池自由表面温度梯度弓l 起的，驱 使界面的流体分子沿表面张力增加的方向流动。它的大小取决于液态金属的成分和温 度。表面张力对熔池金属在熔池界面上的接触角的大小有直接影响，所以表面张力会影 5 第一章绪论 响到熔池表面的形状。此外，由于熔池金属各处成分和温度不均匀，其表面张力大小也 不同，从而形成了沿表面方向的表面张力梯度d 仃办，这种梯度促使液态金属的流动。 当d 仃咖 0 时，液态金属从烙 池中心沿表面流向四周，形成宽而浅的熔池。 ( 3 ) 熔池金属重力 正比于熔池金属的密度和熔池的体积，它使熔池金属流动的方向与焊接的空间位置 有关。平焊以外的各种空间位置焊接时，它往往是破坏熔池稳定性、使焊缝成形变坏的 重要因素。横焊、立焊及仰焊位置自由成形焊接时的主要困难就是熔池液态金属在重力 作用下的流淌与得到所需要的良好成形之间的矛盾。 ( 4 ) 熔滴冲击力 熔滴冲击力与熔滴的质量、速度和过渡频率有关。由于熔滴的滴入，熔池内液态金 属总量增加，改变了焊接熔池动量、热量和质量，使得分析更加困难。 ( 5 ) 焊接电弧力 电弧在燃烧过程中不仅要产生大量的热能，而且还会产生机械力，称为电弧力。它 对熔滴过渡、焊缝成形以及焊接过程均产生很大的影响n 引。电弧力主要包括电磁收缩力、 等离子流力、斑点压力等。其中电弧等离子流流过熔池表面产生气体剪切力，它推动流 体在熔池表面沿径向向外流动。同其他的作用力相比，气体剪切力对流体流动的作用最 小，绝大多数研究者在他们建立的模型中都忽略了气体剪切力。而斑点压力由带电粒子 的撞击力、电磁收缩力、电极材料蒸发的反作用力、爆破力及细熔滴的冲击力等力构成。 电弧力不仅使熔池表面产生凹陷，同时液态金属被排向熔池尾部，使熔池尾部的液面高 出工件表面，凝固后就成为焊缝的余高。 在c 0 2 气体保护焊摆动过程中，熔池的受力情况是非常复杂的，并且对于不同的焊 接位置，由于重力的不同作用又导致受力情况有很大的不同。同时，由于c 0 2 气体保护 焊摆动焊接过程存在焊枪的摆动，不同的摆动方式及摆动过程中的不同焊接参数选择也 会对熔池的流体流动产生不同地影响。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 c 0 2 气体保护焊焊接过程中被焊金属在热源的作用下被加热并局部熔化，形成焊接 熔池，熔池液态金属由于受各种力的综合作用发生着剧烈地运动。对于c 0 2 摆动焊接， 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 焊接规范参数和焊炬的移动速度等必须仔细选择，以控制焊缝成形，获得具有最佳性能 的焊接接头。随着现代工业的发展，对c 0 2 摆动焊接熔池的热过程、流体流动过程中的 物理参数以及摆动焊接过程中熔池的力学行为进行分析己引起了人们越来越多的兴趣 n 3 。从国内外研究的文献资料中可以看出，已有很多学者对焊接熔池行为进行了研究， 并已经取得了许多研究成果，但是这些研究主要集中于非摆动t i g 焊、m i g 焊和m a g 焊 接熔池方面j 2 叫，还有许多问题需要解决和完善。 自二十世纪八十年代以来，对熔池内流体流动及其驱动力的研究取得了较大的进 展，国内外研究者做了大量的研究乜卜2 7 3 。研究表明，焊接时，熔池内流体的流动主要受 表面张力梯度、电磁力、浮力和等离子流的气体剪切力四种力的驱动，一般地认为熔池 中的液体金属流动是由这几个力联合驱动的。表面张力梯度是由熔池表面温度梯度所产 生的，它是驱动熔池内流体流动的主要驱动力。z a c h a r i at 眩8 1 等人指出a y a r 在高温 下由正至负的变化对熔池流体流动、传热以及接头的最后形成都有重要的影响。在焊接 热源的正下方，存在一个受热区域，该处熔化金属的温度可能在临界温度之上，故而这 个区域的a 7 ，a r 为负值，这将导致熔池表面上存在两个相反的表面张力梯度，在熔池周 围是正的表面张力梯度，而熔池中央部位的表面张力梯度则为负值。根据这两个驱动力 的相对大小，产生一个向外或向内的径向流动，或者二者的结合会产生两个相反方向的 涡流。北京工业大学的赵玉珍乜们等建立了三维移动热源作用下焊接熔池的数学模型，模 拟了不同氧含量下熔池的速度场和温度场。研究结果表明，氧化物活性剂的氧元素改变 了熔池中液态金属的表面张力温度系数，从而影响了熔池中液态金属的流动方式，是熔 深和深宽比增加的重要原因。孙俊生啪3 研究了液态金属表面张力温度系数对m i g m a g 焊接熔池流场的影响，考虑了电弧热流在变形熔池表面以及熔滴热焓量在熔池内部的合 力分布。计算结果表明，熔池液态金属的表面张力温度系数a 7 a r 的符号由负变为正时， 熔池中的流体流动方式也发生显著的变化，特别是熔池后部垂直方向的流速分量访由负 变为正，这对降低焊缝中气孔、夹杂物的形成倾向极为有利。通过焊接冶金方法向焊缝 金属过渡少量的表面活性元素，可使熔池液态金属的表面张力温度系数a 7 a 丁的符号由 负变为正，从而改变熔池液态金属的流体流动状态，使熔池尾部的液态金属垂直向上流 动，有利于气体、夹杂物的逸出，净化焊缝金属。c h o or tc 口嵋等讨论了剪切应力对 熔池内液态金属流动和熔池成形的影响。研究结果表明：在小电流( 低于2 0 0a ) 情况 下，气体剪切应力的作用很小，但是在大电流，尤其是熔池表面发生严重变形的情况下， 7 第一章绪论 气体剪切应力就显得很重要。美国麻省理工学院的o r e p e rgm 教授口1 对熔池内表面张 力梯度、电磁力、浮力所引起的流体流动及传热过程建立了数学模型。mw hh 3 等 人对脉冲g 丑州熔池的流场和热场作了研究，综合考虑了电磁力、表面张力、浮力以及 等离子流力对焊接熔池对流的影响，而且考虑了由于电弧压力作用于熔池表面而导致的 自由表面变形的效果，并采用有限差分法对控制方程求解，用边界固定坐标系统描述熔 合边界曲面，该模型为预测脉冲g 州熔池的复杂行为提供了一个十分有用的方法。 l ( d v isd 和n asj 州研究了固定电弧t i g 焊接熔池表面变形对熔深的影响，所建模型中 将表面张力梯度、电磁力、浮力及气体剪切力作为流体流动的驱动力，采用了贴体坐标 来处理熔池自由表面变形及熔深固液界面的瞬态变化。研究结果表明，随着自由表面变 形的增大，气体剪切力对流动的影响增大，熔池形成宽而浅的熔深。f r i e d m a ne b 副 采用有限元方法计算了薄板t i g 点焊时熔池上、下表面变形。模型把电弧压力作为熔池 变形的主要驱动力，表面张力作为变形的阻力，并把求解熟传导和变形综合考虑。但这 个模型没有考虑熔池中流体流动的影响。日本大坂大学口3 1 提出了薄板t i g 焊熔池上、下 表面变形模型。在全熔透的情况下，在熔池重力和电弧压力产生变形，表面张力支撑着 熔池。首先根据运动热源三维t i g 焊的数值传热模型求解了热场，然后根据热场求解熔 池上、下表面变形。但该模型把传热与变形的计算单独进行，没有考虑二者的相互作用。 目前，绝大多数研究者用l a p l a c e 方程p = 双1 + l ) 作为计算熔池自由表面变 形的公式。众多熔池表面变形计算模型的主要区别在于对液体曲面上不同作用力的取舍 和对l a p l a c e 公式右端项的不同处理方法上。早期的研究者所建立的焊接过程的数学模 型大多是描述二维稳态问题的口毛3 甜。c h e ny 等汹。射提出了固定电弧作用下二维t i g 焊 接熔池的瞬态模型，该模型根据作用于熔池自由表面两侧的电弧压力、表面张力、剪切 力和内部压力的平衡关系推导出自由表面变形方程，计算了未熔透和熔透条件下熔池的 表面变形。在模型中，将重力归于体积力，认为引起熔池内流体对流的驱动力主要由电 磁力、表面张力梯度、浮力、等离子流的压力和剪切力。将表面张力取为固定值，并将 不同表面张力温度系数条件下熔透和未熔透熔池内流体的流动状态做了比较。研究表 明：由于重力的作用，熔池熔透以后其表面变形增加很大，并影响了熔池内流体的流动； 熔池从未熔透到熔透的转变过程中，熔池内流体的流态发生变化；在熔透条件下。表面 张力温度系数的正负、大小对熔池内流体的流态有着重要的影响。但他的模型只是针对 固定电弧焊接的情况，没有研究运动电弧的情况以及熔池的形状和表面变形的动态行 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 为。他所使用的公式是p = 丌s ，“1 + s ；) 3 他+ s ，( 1 + s ；) 3 他 ，其中函数双f ，力是熔池 的表面变形。z a c h a r 认t 钔等对熔池表面变形情况下的流体流动、传热准稳态及瞬态 过程进行了研究，使用离散元素分析技术建立了二维和三维t i g 焊接熔池流场和热场 的数值模型，将浮力、表面张力和电磁力视为流体流动的驱动力，把熔池的表面看作是 可自由变形的。预测了焊接后焊缝表面的变形，计算了在固定电弧和运动电弧作用下熔 池内流体的流动和传热过程。此外，z a c h a r n t “0 4 还研究了工件在倾斜放置和微重 力环境中熔池内流体的流动和传热过程以及熔池表面变形的情况，以 ( a 2 磊敲2 + a 2 | l 砂2 ) 替代( 1 吒+ 1 厂2 ) ，采用近似公式尸= 抓r ) ( a 2 磊酞2 + a 2 矗砂2 ) 来计算未熔透熔池的表面变形，其中函数厅( 氓y ) 是熔池表面的升高，液体的表面张力) ， 是温度r 的函数。采用了离散元素分析方法，并使用标子单元技术追踪熔池形状的瞬态 发展。该模型可以模拟固定电弧及运动电弧t i g 焊接。但是，没有涉及熔池熔透的情 况。l i nml 沁2 4 3 1 从流体动力学势能与表面能之间平衡关系的角度出发，计算了t i g 焊 未熔透熔池自由表面的变形。他认为电弧压力和熔池内流体流动形成的涡旋造成了熔池 自由表面的变形。然而该模型的参数是由实验条件而定的，只能解释部分的实验现象， 难以推广到一般情况。为了能够准确地描述熔池表面的新边界，t s a imc n 5 1 使用正交 曲线坐标系计算了熔池形状未知情况下固定电弧熔池的表面变形。他考虑了环境压力、 内部压力、参考压力和表面剪切力对熔池表面变形的作用，对l a p l a c e 方程右端项进行 了变换，所采用的公式是p = 一丌( 1 + j i i 2 ) 3 坨+ 砌( 1 + j j i 2 ) 3 心 ，其中壳( 力是熔池表面变 形函数。此外，t s a imc n 钔等还讨论了电磁力对熔池的影响，结果发现电磁力导致了 熔池表面中心处略微隆起，而熔池边缘处略微下陷。熔池内各处温度的不均匀分布使得 液态金属的密度发生变化，从而在液态金属中产生浮力。浮力对流体流动的驱动作用与 电磁力的作用相反，但其作用效果很小。电弧等离子流流过熔池表面产生气体剪切力， 它推动流体在熔池表面沿径向向外流动。同前三个力相比，气体剪切力对流体流动的作 用最小，绝大多数研究者在他们建立的模型中都忽略了气体剪切力，而只考虑表面张力 梯度、电磁力和浮力的作用。 国内这方面也有相关的研究。武传松心钉根据流体力学理论与变分法原理，利用电弧 压力、熔滴冲击力及熔池本身重力与熔池表面张力之间的动态平衡，推导出了t i g 焊接 和m i g 焊接熔透时熔池上表面及下表面的变形方程。通过同时求解能量方程、动量方程 及上述熔池表面变形方程模拟了t i g 焊在熔透和未熔透情况下熔池的流场、热场。左都 9 第一章绪论 罗钉等建立了激光加工的包含熔池自由表面的准稳态有限元模型。研究表明，m a r a n g o l l i 力和蒸气压力是决定自由表面形貌的内在因素，当熔池温度低于沸点时，前者是主要原 因，并且重力方向变化对表面形貌有明显的影响，气流是主要的外在因素，它的分布和 大小能明显影响熔池自由表面形貌。郑炜h 6 1 建立了脉冲t i g 焊接熔池流场与热场动态过 程的瞬态数值模型。模型综合考虑了周期性变化的电弧热流所引起的熔池中流体流动状 态、温度场以及熔池形状的周期性变化。建立了一套适合于该模型非稳态、非线性、多 区域、强耦合特点的数值模拟方法。提出了处理动量边界条件的附加源项法，采用附加 源项法处理全部的边界条件，采用s l m p l e c 算法处理流场的速度与压力耦合问题，采 用了显热容法处理融化凝固相变潜热。但是，郑炜没有考虑熔池的表面变形，更没有涉 及熔池熔透的情况。曹振宁h l4 8 1 建立了三维t i g m i g 焊接熔池流场和热场的准稳态数值 模型。不仅综合考虑了使熔池液态金属产生运动的自然对流、电磁力和表面张力梯度等 驱动力。而且考虑了由电弧压力、熔池自身重力和熔池表面张力综合作用所产生的熔透 熔池的上下表面变形，并将熔透情况下t i g 焊接熔池上下表面变形的计算与熔池流场和 热场的计算相结合。克服了以往的t i g 焊接熔池流场与热场